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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Gummifeder gerichtet. Spezifischer
ist die vorliegende Erfindung auf eine abstimmbare Gummifeder mit
einer zentral angeordneten Gummisäule und einer starren äußeren Stützstruktur
gerichtet.
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Hintergrund
der Erfindung
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Obwohl
das Konzept außerhalb
der Disziplin der Konstruktion strukturell eingegrenzter Gummifedern
unbekannt ist und innerhalb der Disziplin nur begrenzt verstanden
wird, sind in der Vergangenheit allgemeine Anwendungen solcher Gummifedern
angestrebt worden. Üblicherweise
ist die Außenstruktur hohlzylindrisch,
und hieraus resultiert eine ineffiziente Anwendung zumindest der
unteren Bereiche des innen angeordneten Gummis. Die Federn sind
nicht besonders abstimmbar in ihrer Federkonstante, wenn die Wand
eine rein zylindrische Konfiguration hat, und der Gummi hat (einen)
undefinierte(n) oder unstabile(n) Reibungskoeffizienten mit der Stützwand,
da ein erhöhter
gegenseitiger Kontakt auftritt.
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Zusätzlich ist
Haltbarkeit, aufgrund von Abrieb an den Kontakt-Haft- und -Gleitflächen zwischen der
Außenseite
der Gummifeder und der Innenseite der Stützstruktur, ein Problem. Anderer
Stand der Technik lehrt in Bezug auf Säulenstabilität das Anordnen
eines Lochs in der zylindrischen Gummifedersäule und Einsetzen eines strukturellen
Stabs, dessen Höhe
die maximale abgelenkte Höhe
der Feder nicht überschreitet.
Dies ergibt Säulenstabilität, ist jedoch
nicht so effizient oder so haltbar wie die derzeit offenbarte Erfindung
und ist nicht abstimmbar.
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Beispiele
solcher Federn sind durch US-A- 3,263,985 und 3,037,764 illustriert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf einen Druckfederkörper gerichtet, der eine kompakte
Geometrie für
hohe volumetrische Effizienz aufweist, aber dennoch eine große Verlagerung,
hohe Energiespeicherung und Langlebigkeit bei Druckfederanwendungen
ermöglichen
wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Feder, welche eine röhrenförmige Stützstruktur
und eine massive Elastomersäule
umfasst. Die Stützstruktur hat
eine durchlaufende Stützwand,
wobei die Stützwand
unterschiedliche Mindest- und Höchstinnendurchmesser
hat. Die Elastomersäule
hat entlang eines Großteils
ihrer Länge
einen Durchmesser, der kleiner als der Mindestdurchmesser der Stützstrukturwand
ist, und eine Höhe,
die größer als
die Höhe der
Stützstruktur
ist.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Elastomersäule zu mit
der Stützstruktur
positioniert, dass die Mittelachse der Elastomersäule und die
Stützstruktur
ausgerichtet sind, wobei das Elastomer sich über beide offenen Enden der
Struktur hinaus erstreckt.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung hat die Elastomersäule der
Feder eine Höhe,
die größer als
zwei Mal der Durchmesser der Säule
ist. Die Höhe
der Säule
kann bis zu acht Mal der Durchmesser der Säule sein und sogar größer, abhängig von den
gewünschten
Federmerkmalen und Anwendungskontaktbedingungen.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Säule fest an der Basis der Stützstruktur
gesichert. Die Säule
kann fest an der Stützstruktur
gesichert sein, indem entweder die Säule klebend an der Basis der
Stützstruktur
gesichert wird, oder durch Presspassung zwischen der Säule und
der Stützstruktur.
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In
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung haben die Stützstrukturwände eine
Konfigurationsaufstellung aus der Gruppe von Bälgen, Wiederholungsbälgen, schraubenförmigen Verdrillungen,
Sanduhr, sich wiederholender Sanduhr. Die Außenfläche der Stützstrukturwand ist entweder
ein Spiegelbild oder eine strukturell komplementäre Konfiguration der Innenwand,
die, wenn sie kombiniert sind, adäquat sind, um die durch den
Gleit- und Kompressionsdruck-Gummiaufprall auf besagte Innenwand
auferlegten Beanspruchungen zu tragen.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung sind entweder die Außenfläche der
Elastomersäule und/oder
die Innenfläche
der Stützstruktur
mit einer Beschichtung mit verminderter Reibung beschichtet, um
Oberflächen
mit geringer Reibung zu ergeben. Alternativ kann das die Säule bildende
Elastomermaterial ein reibungsminderndes Material enthalten, um der
Säule eine
selbstschmierende Oberfläche
mit verringerter Reibung zu verschaffen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird als Beispiel und unter Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, worin:
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1a eine
Querschnittsansicht des Federkörpers
unter keiner Kompression ist;
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1b eine
Querschnittsansicht des Federkörpes
unter teilweiser Lastverlagerung ist;
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1c eine
Querschnittsansicht des Federkörpers
unter maximaler Lastverlagerung ist;
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2 eine
alternative Konstruktion für
die starre äußere Stützstruktur
ist; die
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3a und 3b alternative
Querschnittsansichten der Struktur von 2 sind;
und
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4 eine
Querschnittsansicht einer anderen Ausführung der Erfindung ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Es
wird nun, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, und insbesondere
auf die 1a bis 1c, eine
die Prinzipien und Konzepte der vorliegenden Erfindung verkörpernde
Druckfeder beschrieben.
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Innerhalb
des Federelements und Struktursystems hat die Feder 10 eine
starre röhrenförmige Stützstruktur 12 und
eine massive Gummisäule 14. Die
Stützstruktur 12 ist
aus einem starren Material, wie etwa Metall, faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen,
Glasfaser-Formmischungen und anderen gleichartigen metallischen
oder nichtmetallischen Materialien konstruiert. Die Stärke und
Haltbarkeit der strukturellen Komponente des Systems sollte ausreichend sein,
um dem Milieu zu widerstehen, worin die Feder 10 eingesetzt
werden wird, und den Kräften
zu widerstehen, denen die Feder während des Betriebs unterzogen
werden wird. Die Stärke
und Haltbarkeit sollten adäquat
in einer Finite-Elemente- oder anderen äquivalenten Analyse des Materials definiert
sein, wie an den Höchstgrenzen
von Last, Auslenkung, und zyklischer Lebensdauerschätzungen
und Sicherheitsfaktoren vorgeschrieben. Das Material sollte mindestens
eine Zugstärke
von 100 MPa haben und eine Durchbiegefestigkeit von wenigstens 200
MPa haben. Die Struktur 12 kann in einer Anzahl von wirtschaftlichen
Wegen produziert werden, einschließlich, jedoch nicht begrenzt
auf, Hydroforming und Schleuderguß in der mit Metall zusammengesetzten
Variante. Die Struktur 12 hat eine Wand 16 und
eine Basis 18. Zur Verringerung oder Eliminierung des Einschlusses
von Luft während
des Belastens, oder der Erzeugung eines Vakuums während des
Entlastens, zwischen der Struktur 12 und der Säule 14 hat
die Struktur 12 strategisch positionierte Entlüftungslöcher 20.
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Die
Wand 16 hat eine Konfiguration vom Balgtyp, welche vorzugsweise
in einer oberen Lippe 22 endet. Die Struktur 12 ist
mit zwei Balgabschnitten abgebildet, welche einen Innen-Mindestdurchmesser A
erzeugen. Die Wand 16 kann jeden beliebigen Typ von wellenförmiger,
oder nicht gerader, Konfiguration haben, die unterschiedliche Mindest-
und Höchstinnendurchmesser
aufweist. Eine andere Wandkonfiguration ist in 2 illustriert.
Die Wände 16' haben eine
schraubenförmige
Konfiguration. Die Innenfläche 24 der
Wand 16' kann
entweder ein Spiegelbild, siehe 3a, oder
eine komplementäre
Konfiguration sein, siehe 3b. Durch
Variieren der Wandkonfiguration und Innenflächenkonfiguration kann die Feder 10 auf spezifische
Anwendungen abgestimmt werden. Die Struktur 12 kann auch
eine einfache Sanduhrkonfiguration haben.
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Die
Struktur 12, und die begleitende Säule 14, wie nachstehend
erörtert,
sind dargestellt als eine insgesamt kreisförmige Konfiguration aufweisend. Abhängig von
den erforderlichen Leistungsanforderungen für die Feder 10, die
Struktur 12 und die Säule 14,
können
sie jedoch eine nicht-kreisförmige
Konfiguration haben, wie etwa elliptisch, wodurch sie eine geeignete
Rotationsausrichtung der zwei Komponenten 12, 14 um
die Kompressionsachse, vor der Kompressionslastanlegung, erfordern,
um die Leistung zu optimieren.
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Innerhalb
der Struktur 12 ist die geradwandige, massive Gummisäule 14 aufgestellt.
Die Säule 14 ist
so innerhalb der Struktur 12 aufgestellt, dass die Mittelachse
der Struktur 12 und der Säule 14 zueinander
ausgerichtet sind, jedoch nicht notwendigerweise zusammenfallen.
Die Außenfläche 26 entspricht
in der Konfiguration der Konfiguration des Mindestdurchmessers A
der Struktur 12 und hat in dieser Ausführung einen Durchmesser B,
der kleiner ist als der Mindestdurchmesser A. Mit anderen Worten
ist, für
die abgebildete kreisförmige
Struktur 12 die Säule 14 eine
glattwandige kreisförmige
Säule, und
wenn die Struktur 12 eine insgesamt ovale Konfiguration
hat, so hätte
die Säule 14 eine
ovale Konfiguration. Somit wird vor der Kompression und wenn die
Achse der Säule 14 und
die Struktur 12 zusammenfallen, ein locker definierter
konstanter Abstand x zwischen dem Struktur-Mindestdurchmesser A und dem Säulendurchmesser
B, in seiner Mindestgrößenkonfiguration,
aufrechterhalten. Die Federkonstante der Säule 14 in radialer
Richtung ist beträchtlich geringer
als die Kompressionsfederkonstante, sodass der Abstand x, in jeder
radialen Richtung, vor jeder Kompressionslastanlegung variieren
kann.
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Die
Säule 14 ist
vorzugsweise sicher innerhalb der Struktur 12 an der Basis
befestigt, in der bevorzugten Ausführung, sodass, vor der Kompression oder
dem Einbau in ein größeres System,
die Komponenten 12, 14 sich nicht unbeabsichtigt
voneinander trennen. Die Säule 12 kann
durch Presspassung an der Basis 18 befestigt sein, wie
abgebildet, oder kann unlösbar
befestigt, durch Klebkraft gesichert oder durch die Verwendung jeglicher
anderer Befestigungsmittel, die zwischen den beiden für die Struktur 12 und
die Säule 14 verwendeten
Materialien als anwendbar bekannt sind, befestigt sein. Wenn das Befestigungsmittel
die Kompressions- und Expansionsfähigkeit der Säule 14 einschränkt, sollte
nur der unterste Teil der Säule 14 so
eingeschränkt
sein.
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Die
Säule 14 hat
eine unkomprimierte Höhe, C1,
die größer als
die Höhe
D der Struktur 12 ist. Die Höhe C1 ist auch relativ zu dem
Höchstdurchmesser B
und beträgt
wenigstens das Doppelte des Durchmessers B, somit hat die Säule ein
Verhältnis
von Höhe
zu Durchmesser von wenigstens 2:1. Die Säule hat ein bevorzugtes Verhältnis von
Höhe zu
Durchmesser von 2:1 bis 8:1; jedoch können bestimmte Anwendungen,
die hohe Verlagerungen oder Auslenkungen erfordern, Verhältnisse
von Höhe
zu Durchmesser haben, die größer als
8:1 sind. Die Oberseite der Säule 14 kann
an einer Verbindungsstruktur 30 gesichert sein, durch welche
eine Kompressionslast auf die Feder 10 angelegt wird; die 1a–1c zeigen
eine solche gesicherte, durch Presspassung erzielte Konfiguration,
die jedoch auf jede konventionelle Weise erzielt werden kann, gleichartig
zu den zur Sicherung der Basis 18 möglichen.
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Die
Säule 14 ist
aus Gummi ausgebildet. Der Gummi hat die folgenden Eigenschaften:
Kompressionsmodulbereich von 10,55 bis 105,5 kg/cm2 (150
bis 1500 psi), Massen- oder
volumetrischer Modulbereich 8436 bis 16872 kg/cm2 (120.000
bis 240.000 psi) und eine Zugfestigkeit von 105,5 bis 281 kg/cm2 (1.500 bis 4.000 psi). In den bevorzugten
Ausführungen
sind Dämpfungs-
oder Energieabsorptionseigenschaften kein signifikantes Merkmal,
das die Leistung der Feder 10 beeinträchtigt. Beispiele geeigneter Kautschuke
umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, Naturkautschuk, Polybutadien,
Chloropren, Nitril, Butyl, Styrol-Butadien, Silikon und Kombinationen von
beliebigen dieser Kautschuke, wovon manche eine nützliche
Dämpfungs-
und Energieabsorption verschaffen würden.
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Ein
reibungsminderndes Material, wie etwa eine PTFE-imprägnierte
Beschichtung, kann an der Innenfläche 24 der Struktur 12 oder
der Außenfläche 26 der
Säule 14 angebracht
sein. Alternativ kann ein reibungsminderndes Material in den Kautschuk
der Säule 14 eingearbeitet
sein, was zu einer selbstschmierenden Grenzfläche zwischen der Struktur 12 und
der Säule 14 führt.
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Für das System
von 1a hat die Säule 14 vor
der Kompression eine Höhe
C1, die wenigstens drei Mal größer ist
als der Durchmesser B der Säule 14,
und größer als
die Höhe
D der Struktur 12. Außer an
der Basis der Feder 10, wo die Säule 14 durch Presspassung
oder durch andere Mittel in die Struktur 12 gehalten wird,
ist die Gummisäule 14,
in der Konfiguration mit dem kleinsten Durchmesser, um einen Abstand
x von dem Innendurchmesser A der Struktur 12 beabstandet.
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Wenn
eine Last an der Spitze der Säule 14 angelegt
wird, wie in 1b ersichtlich, beginnt die Gummisäule 14 sich
zusammenzudrücken
und zu wölben
oder biegen, wobei anfänglicher
Kontakt zwischen der Außenfläche 26 der
Säule 14 und
den Stellen mit Mindestdurchmesser an der Innenseite der Struktur 12 gemacht
wird. Danach beginnt, in allen Ausführungen, die Gummisäule 14 sich
zwischen den Mindestdurchmesserstellen 28 zum Rest der Struktur 12 hinzuwölben. Beim
weiteren Anlegen der Last auf die Feder 10 steigt das Kontaktflächengebiet zwischen
der Struktur 12 und der Säule 14 an.
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Bei
voller Kompression, siehe 1c, wird voller
Kontakt zwischen der Außenfläche 26 der
Säule 14 und
der Innenfläche 24 der
Struktur 12 hergestellt. Der nicht innerhalb der Struktur 12 enthaltene Teil
der Säule 14 liegt
auf der Lippe 22 auf, wodurch eine zusätzliche Pufferwirkung verschafft
wird.
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4 illustriert
eine alternative Ausführung der
Erfindung, mit Aspekten, die auch auf vorangehend erörterte Ausführungen
anwendbar sind. Bei der abgebildeten Feder 10 ist die Struktur 12 an
beiden Enden offen und ist mit einer Balgtypkonfiguration dargestellt,
die einen Mindest-Innendurchmesser A aufweist. Die Gummisäule 14 hat
einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser B, wobei ein einzelner
Teil 34 einen vergrößerten Durchmesser
X aufweist, sodass der Durchmesser X wenigstens 1,1 Mal der Durchmesser
A ist. Die Höchstabmessung
von X ist selbstverständlich
der maximale Innendurchmesser der Struktur 12. Das Vorhandensein
des Teils 34 ist doppelt: es gestattet einige Abstimmbarkeit
der Feder 10 und gestattet die Verwendung einer Gummisäule 14,
die nicht zuvor an einem der beiden Enden an einer festen Struktur
gesichert worden ist. Wie bei der vorigen Ausführung hat die Säule 14 eine
Höhe, die
größer als
die Höhe
C4 der Struktur 12 ist.
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Alle
der bereits als bei der Feder 10 von 1a–1c als
zulässig
offenbarten Variationen sind hierin für die Feder 10 von 4 anwendbar.
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Zum
Zusammenbau der Feder- 10 kann die Gummisäule 14 in
die Struktur hineingeschoben oder -gezogen werden. Bei jedem der
beiden Verfahren rastet die Säule 14,
sobald der Teil 34 mit, vergrößertem Durchmesser die erste
Mindestdurchmesser-Stelle der Struktur 12 passiert hat,
in der Struktur 12 an ihrem Platz ein. Wenn eine Last auf
die Feder 10 angelegt wird, reagiert die Säule 14 gleichartig
zur Säule 14 in 1a–1c;
wobei sie allmählich
mit der Innenfläche
der Struktur 12 in Kontakt kommt, wobei die Struktur 12 das
Wölben
und Durchbiegen der Säule 14 stützt, bis
voller Kontakt entlang der Innenseite der Struktur 12 erzielt
ist.
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Für jede besondere
Anwendung, wobei die Feder 10 anzuwenden ist, wird die
Feder 10 unter Anwendung einer Finite-Elemente-Analyse
und unter Anwendung geeigneter Gummimaterialien-Charakterisierungseigenschaften
konstruiert, oder alternativ unter Anwendung anderer geringer oder äquivalent voraussagender
Methodologie, die die Veränderung der äußeren Gummioberflächenform
und -größe gegenüber Verlagerung
oder Ablenkung andeuten. Somit können
bei der Gestaltung einer Feder für
eine bestimmte Anwendung das Kontaktprofil und die Rate des erhöhten Oberflächenkontakts
vorhergesagt werden.
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Die
effiziente Nutzung des gesamten Gummivolumens, über der Basisverbindung, ist
das, was im Wesentlichen die größeren Verlagerungen
und größere Energiespeicherfähigkeit
innerhalb der relativ langen und schmalen, oder mit kleiner Aufstandsfläche versehenen,
Federgeometrie gestattet.
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Die
Federbaugruppe kann in Anwendungen verwendet werden, die sowohl
statische als auch dynamische Kompressions- (und, wenn spezifisch zugelassen, intermittierende
dynamische Zug-)-Lasten und Verlagerungen, wie sie etwa bei Stoß- und Vibrationsisolatoranwendungen,
oder Energiespeicher- und -rückgewinnungsvorrichtungen
angetroffen werden, aufweisen. Zwei Baugruppen können auch in einem kompressiv
vorgespannten Zustand verwendet werden, wobei die Mittelachsen zueinander
ausgerichtet sind und die Kompressionsrichtungen einander um 180
Grad entgegengesetzt sind, wodurch sie eine zusätzliche günstige Energiespeicherkapazität verschaffen.
Die oben beschriebenen neuartigen Federbaugruppen können in
jeder parallelen Achs- und manchen Mehrfachorientierungs-, nicht
parallelen Achsgruppierungen verwendet werden, wodurch die Belastbarkeit
und Federkonstante eines Systems erhöht wird und die mehrdirektionale
Leistung von Systemen, die solche Baugruppen enthalten, verbessert wird.
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Konventionell
wäre ein
massiver Gummizylinder mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von 3:1 oder
mehr instabil bei Kompression. Beim Anlegen einer Kompressionskraft
oder -last würde der
Zylinder versuchen, sich zu wölben.
Bei der offenbarten Feder jedoch wird der Zylinder ansteigend von
den Innenwänden
der starren Struktur gestützt. Bei
Anstieg der Kompressionskraft fährt
die Lastkontaktfläche
des Zylinders fort, sich in der Richtung der Verkürzung der
Säulenhöhe und Vergrößerung des Außendurchmessers
des Zylinders auszubiegen. Somit vergrößert sich nach anfänglichem
Kontakt der Seiten des Zylinders und der Struktur das Oberflächengebiet
des Kontakts des Gummis mit der Struktur, wobei schließlich ein
nahezu vollständiger
oder vollständiger
Umfangskontakt zustande kommt. Wenn dies stattfindet, und aufgrund
der Materialeigenschaften von Gummi, wo der Kompressionsmodul beträchtlich
niedriger als der Massen- oder "volumetrische" Modul ist, steigt
die Federkonstante signifikant an, während gleichzeitig die nachstehend
beschriebene neuartige strukturelle Stützgeometrie eine größere stabile
Säulenauslenkung
gestattet, als dies ansonsten in einer äquivalenten oder kürzeren ungestützten Gummifeder
möglich
wäre.
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Vollständige Nutzung
des gesamten Gummivolumens über
der Basisverbindung; über
den gesamten Verlagerungsbereich, wird in einem kompakten Querschnittsgebiet
verwirklicht, wodurch die unerwünscht
hohen Beanspruchungsdichtekonzentrationen im Vergleich zu weniger
vollständig
genutzten Gestaltungen verringert werden. Gleichermaßen werden
durchschnittliche örtliche
Beanspruchungen, für
eine gegebene Verlagerung gegenüber
Größe, im Vergleich
zu vorangehenden uneingeschränkten oder
in Umfangsrichtung eingegrenzten Gestaltungen verringert. Gummifedern
des Standes der Technik, welche Gummiwölbungsoberflächenkontakte
haben, haben "tote
Stellen" oder volumetrische
Abschnitte von Gummi, die nicht auf irgendeine sinnvolle Weise zur
Leistung des Produkts beitragen. Aufgrund der in dem neuartigen
Konzept enthaltenen kombinierten niedrigeren Spitzen- und niedrigerer Durchschnittsbeanspruchung
gegenüber
Verlagerungsphänomenen
wird die Verlagerungs- oder Hubkapazität erhöht und werden Haltbarkeit und
Lebensdauer ausgedehnt.