DE69201124T2 - Elastische Aufhängungsvorrichtung mit verschiedenen Steifheiten zur Lagerung eines Geräts. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine elastische Aufhängung mit unterschiedlichen Steifigkeiten zur Abstützung eines Gerätes, die in der senkrechten Richtung (z) eine relativ hohe Steifigkeit für die Aufnahme der statischen Belastung des Gerätes und in zwei horizontalen Richtungen (x, y), die zueinander und zu der vorstehend erwähnten Richtung orthogonal verlaufen, relativ geringe Steifigkeiten aufweist.
• Für den erfindungsgemäßen spezifischen Fall muß die Vorrichtung das Gerät mit einer bestimmten Flexibilität der Aufhängung halten, um die Vibrationen zu filtern, die sich auf den Betrieb des Gerätes schädlich auswirken können oder im Gegensatz dazu die Vibrationen filtern, die das Gerät verbreiten kann. Gleichzeitig muß die Vorrichtung beträchtliche Stöße abfangen, in deren Verlauf die Funktion der Filterung der Schwingungen ohne Interesse ist. Diese Merkmale sind insbesondere in der Richtung z, d. h. in der senkrechten Richtung von Bedeutung.
• Praktisch muß die Steifigkeit in senkrechter Richtung während des Normalbetriebs einige Millimeter der Deformation unter statischer Belastung betragen, derart, daß die Vibrationen gefiltert und mäßige Verschiebungen während der Änderungen der statischen Belastung erhalten werden. Im Gegensatz dazu fordert man im Falle eines Stoßes in senkrechter Richtung eine Begrenzung der mit der Steifigkeit, die für den Normalbetrieb gefordert wird, nicht zu vereinbarenden Belastung, was dazu führt, einen Schwelleneffekt zu fordern. Dies bedeutet, daß, wenn die senkrechte Belastung eine bestimmte Schwelle überschreiten wird, die Steifigkeit der Vorrichtung schlagartig abnehmen und augenblicklich sehr gering werden muß. Dies ist auf Fig. 1 der Zeichnung dargestellt, die die Kurve der senkrechten Belastung F in Abhängigkeit von der Deformation d für eine derartige Vorrichtung mit einem Schwellenwert wiedergibt. Die Steifigkeit liegt normalerweise in dem Rechteck r und verringert sich oberhalb sehr schnell, um in Höhe der Schwelle S äußerst gering zu werden; die Schwelle liegt kurz unterhalb des Wertes Fmax, der die maximale Belastung bei einem Stoß darstellt (Z gibt dann die Zone des Betriebes bei Auftreten von Stößen wieder).
• Was die geringeren Steifigkeiten in den horizontalen Richtungen x und y anbelangt, müssen diese die gleiche Fähigkeit der Deformation bei Stößen aufweisen.
• Bei den bekannten Vorrichtungen mit unterschiedlichen Steifigkeiten handelt es sich um Vorrichtungen mit sandwichartigen Platten (siehe Fig. 2), die abwechselnd aus Gummi c und aus Stahl a bestehen und mit denen es möglich ist, eine viel höhere Steifigkeit in der Richtung z, senkrecht zu den Platten, zu erhalten als in den Richtungen x und y der gleichen Ebene; man kann damit jedoch selbstverständlich keinen Schwelleneffekt in der Richtung z, die senkrecht zu den Platten verläuft, erzielen.
• Bei einer anderen bekannten Vorrichtung (Fig. 3) benutzt man einen Knickeffekt, um den gewünschten Schwelleneffekt zu erzielen. Im Ruhezustand hat das elastische Element E die auf der linken Hälfte der Figur dargestellte Form und weist eine normale Steifigkeit (praktisch linearer Anstieg der Verschiebungen d mit den Belastungen F) auf. Bei einer Verschiebung dmax, die bei einem Stoß auftritt, biegt sich das Element wie mit dem Bezugszeichen E' angedeutet (rechte Hälfte der Figur), durch und hat dann nur noch eine sehr geringe Steifigkeit und damit den gewünschten Schwelleneffekt. Im übrigen haben diese Vorrichtungen den Nachteil, daß sie die gewünschten geringen Steifigkeiten in Querrichtung, die in den Richtungen x und y senkrecht zu der Richtung z gefordert werden, nicht aufweisen.
• Ferner zeigen die Systeme auf der Basis eines Elastomers dieses Typs infolge des Fließverhaltens dieser Elastomere einen Überspannungseffekt im Augenblick des Knickens, wie es auf Fig. 1' dargestellt ist.
• Diese Überspannung erzeugt eine dynamische Belastungsspitze S&sub2;, die im übrigen nicht genau durch Versuche, entweder statische oder mit geringer Auftreffgeschwindigkeit eingeschätzt werden kann. Dies macht es schwierig, diesen Effekt bei der Planung zu berücksichtigen und damit eine Vorraussage für das Verhalten dieses Systems vom Zufall abhängig.
• Diese Besonderheit des Verhaltens hat einen anderen Nachteil: wenn der Beschleunigungsschwellenwert S&sub2;, der der maximalen Übertragung auf das System im Verlauf von Stößen entsprechen muß, nur wenig (5 mal) oberhalb der statischen Nennbelastung liegt, ergibt sich augenblicklich, daß der Schwellenwert S&sub1; sehr nahe an der statischen Nennbelastung sein kann, die um einen üblichen Belastungsfaktor (von z. B. 2) vergößert ist.
• Man sieht, daß dann das Risiko einer Instabilität bei üblicher maximaler Belastung oder selbst bei der statischen Nennbelastung auftritt. Diese potentielle Instabilität führt in der Praxis im allgemeinen zu einem beträchtlichen Fließen der Vorrichtung.
• Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Vorrichtung mit den eingangs erwähnten Merkmalen so auszubilden, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
• Ausgehend von einer elastischen Aufhängung der eingangs beschriebenen Art besteht die Erfindung darin, daß die Vorrichtung zwischen einer Abstützung des Gerätes und einer festen Fußplatte eine Anordnung von elastischen Armen aufweist, die die Last mit einer verhältnismäßig hohen Steifigkeit abstützen und im Falle eines Stoßes in senkrechter Richtung einer Knickung unterliegen können, wobei sich dann ihre Steifigkeit schlagartig verringert, und daß die Vorrichtung zwischen den Enden der Arme und der Abstützung einerseits und der festen Fußplatte andererseits nachgiebige Gelenke enthält, die eine geringe Steifigkeit gegenüber Belastungen aufweisen, die in horizontaler Richtung auf das Gerät einwirken.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:
• - Fig. 4 eine Halbansicht der Vorrichtung in einem senkrechten Schnitt gemäß der Linie IV-IV der Fig. 5 (entsprechend der horizontalen Richtung x), wobei die Schnittebene durch die Achse einer der elastischen Arme verläuft,
• - Fig. 5 eine Teilansicht der Vorrichtung in einem horizontalen Schnitt gemäß der Linie V-V der Fig. 4,
• - Fig. 6 einen senkrechten Teilschnitt einer abgeänderten, nachgiebigen Gelenkverbindung an den Enden der Arme,
• - Fig. 7 einen senkrechten Teilschnitt durch einen elastischen Arm und Dämpfer,
• - Fig. 8 eine der Fig. 7 ähnliche Ansicht in Höhe des mittleren Teils einer der Arme und
• - Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer anderen nachgiebigen Gelenkverbindung für die Enden der Arme und
• - Fig. 10 schematisch im Schnitt die Möglichkeit die Vorrichtung auch zum Auffangen von Rückfederungskräften einzusetzen.
• Auf Fig. 4 ist mit 5 die Abstützung des (nicht dargestellten) Gerätes und mit 6 die feste Fußplatte bezeichnet. Auf allen Figuren sind die elastischen Arme mit 1 und die nachgiebigen Gelenkverbindungen zwischen deren Enden und der Abstützung 5 einerseits und der Fußplatte 6 andererseits mit 2 bezeichnet. Aus den Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, daß zwischen der Abstützung und der Fußplatte vier Arme 4 vorgesehen sind, deren axiale Ebenen in einem Winkel von 90º zueinander verlaufen. Allgemeiner könnte man die Anordnung auch so treffen, daß diese axialen Ebenen in mehreren Richtungen in der Ebene der Fig. 5 orientiert sind derart, daß eine Quasiisotropie in dieser Ebene erhalten wird. Jeder Arm ist nach außen oder nach innen gebogen, um im Falle des Auftretens eines Stoßes in senkrechter Richtung leicht abknicken zu können, wobei die Steifigkeit des Systems sehr gering werden muß und besteht beispielsweise aus zwei Lamellen 4 aus einem zusammengesetzten Material (mit Kunstharz oder einem ähnlichen Material imprägnierte Glasfasern), die sandwichartig eine Lamelle 3 aus Kautschuk oder einem elastomerem Material enthalten.
• Die nachgiebigen Gelenkverbindungen 2 mit geringer Steifigkeit in den horizontalen Richtungen x und y bestehen aus Blöcken aus elastischem Material (Kautschuk oder Elastomer), die zwischen den abgerundeten Enden der Arme 1 und der Abstützung 5 einerseits und dem Fußstück 6 andererseits angebracht sind. Bei der auf den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform sind die Grenzflächen zwischen den Enden der Arme 1 und den nachgiebigen Gelenkverbindungen zylindrisch. Sie können im übrigen sphärisch sein, wie es auf Fig. 6 dargestellt ist, derart, daß sie dann eine Art Kugelgelenk bilden. Auf dieser Figur ist ferner dargestellt, daß die nachgiebigen Gelenkverbindungen aus einem Paket aus abwechselnden kugelförmigen Schichten aus Kautschuk 7 und Stahl 8 bestehen können. Dank dieser Kugelgelenke sind die Drehungen um den Mittelpunkt in den Richtungen x, y und z möglich, ohne eine zu große Nachgiebigkeit in der Richtung z des Wiederauftretens der statischen Belastung zuzulassen.
• Bei der auf Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist die Möglichkeit dargestellt, Arme 1 der gleichen Art zu benutzen, wie sie auf den Fig. 4 und 5 dargestellt sind, die jedoch darüber hinaus außenliegende Schichten 9 aus Kautschuk oder einem anderen dämpfenden Material enthalten, die mit dem zusammengesetzten Material 4 verbunden sind und den Armen ein besseres Verhalten gegenüber akustischen Frequenzen verleihen können, indem sie die Schwingungsbereiche dämpfen, die zur Biegung der Arme geeignet sind. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Schichten 9 und 3 vertauscht sein können, um das gleiche Resultat zu erhalten.
• Bei der auf Fig. 8 dargestellten abgeänderten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, den Querschnitt im mittleren Abschnitt des Armes 1 an der mit 10 bezeichneten Stelle zu verringern, um das Auftreten des Knickens zu begünstigen.
• Fig. 9 zeigt auch die Möglichkeit den Arm 1 aus zwei Abschnitten 1a und 1b zu bilden, die gelenkig über ein zylindrisches Gelenk 11 miteinander verbunden sind, mit der Möglichkeit einer schlagartigen Schwenkbewegung (um die Achse A - A') im Falle eines in senkrechter Richtung auftretenden Stoßes. Dieses Gelenk kann aus einem Laminat aus Stahl 8 und Kautschuk 7 bestehen, wie bei der auf Fig. 6 dargestellten Ausführungsform, wobei der Stahl gegebenenfalls durch ein beliebiges anderes Metall oder ein starres Material mit geeigneter Druckfestigkeit ersetzt werden kann.
• Zurückkommend auf Fig. 4 ist auch die Möglichkeit dargestellt, die Vorrichtung mit einem Anschlag 12 aus elastomerem Material zu versehen, um die relative Verschiebung zwischen der Abstützung 5 und dem Fußstück 6 in der Richtung z zu ermöglichen. Man kann darüber hinaus vorsehen, seitlich und an vier Seiten Stützflächen 13 anzubringen, um die Biegung des Armes 1 in Querrichtung zu kontrollieren oder zu blockieren.
• Der Widerstand der Vorrichtung gegenüber Belastungen durch Rückfederung könnte sich in einfacher Weise aus der Anfangskurve der Arme 1 ergeben, da sich diese Arme unter der Wirkung von Rückfederungen Öffnen würden. In diesem Fall könnte ein Knickeffekt nicht ohne die zusätzliche Anordnung erhalten werden, die schematisch im Schnitt auf Fig. 10 dargestellt ist.
• Auf dieser Figur sind in vereinfachter Form die Arme 1 dargestellt, die mit ihren Enden zwischen beweglichen Platten 5 und 6 befestigt sind. Die Verschiebungen der Platte 6 nach unten können begrenzt werden durch die Schulter 14 eines Führungsbügels 15, der an seinem oberen Abschnitt eine Abkantung 16 enthält. Die aufgehängte Masse 17, die von der oberen Platte 5 getragen wird, die normalerweise in geringem Abstand von der Abkantung 16 angeordnet ist, ist nach unten durch eine Stange 18 verlängert, die die untere Platte 6 durchquert und unterhalb der Platte durch einen Kopf 19 zurückgehalten wird, dessen Durchmesser größer ist als der des Loches 20, durch den die Stange 18 hindurchtritt, wobei dann normalerweise (wenn die Beanspruchungen nach unten gerichtet sind) noch ein kleiner Zwischenraum zwischen dem Kopf 19 und der unteren Oberfläche der Platte 6 vorgesehen ist.
• Unter diesen Voraussetzungen sieht man, daß unter der Wirkung einer statischen Belastung, wie der der aufgehängten Masse 17, die Beanspruchungen von dieser Masse auf die Platte 5, auf die Arme 1, auf die Platte 6 und schließlich auf die Schulter 14 des Bügels 15 übertragen werden. Im Falle eines Stoßes nach unten werden die Arme selbstverständlich abknicken, wie es bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 der Fall ist.
• Im Falle des Auftretens eines Stoßes nach oben, der die Tendenz hat, die aufgehängte Masse 17 wieder nach oben zu drücken, werden die senkrechten, nach oben gerichteten Kräfte durch Zwischenschalten der Stange 18 auf die untere Platte 6 und dessen Kopf 19 und dann auf die Arme 1 übertragen, die sich durchbiegen und ihre Belastungen auf die Platte 5 übertragen werden, die schließlich zum Anschlag gegen den abgewinkelten Rand 16 kommen wird.
• Eine einfachere Ausführungsform könnte noch darin bestehen, das System entweder frei zu lassen, wobei es dann nur durch verschiebbare Pione geführt wird, oder durch Teile aus elastomerem Material, beispielsweise zylinderkonische Teile oder durch Zug beanspruchte Blöcke zu steuern, mit denen während einer außergewöhnlich starken Durchfederung unter Zugspannung eine bestimmte Steifigkeit aufrechterhalten werden kann. Bei Normalbetrieb würde das System in diesen beiden Fällen durch sein geeignetes Gewicht an seinen Platz gehalten.
• Man könnte auch daran denken, diese zuletzt genannte Verbindung aus elastomerem Material vorzuspannen, wenn das Gewicht des aufgehängten Systems nicht ausreichen würde, um den gesamten Bereich des Normalbetriebes außer Stoß abzudecken.
• Was schließlich die Steuerung der Instabilität betrifft, ist darauf hinzuweisen, daß das Abknicken, insbesondere bei zusammengesetzten Materialien erreicht werden kann, die ein schwaches Fließverhalten aufweisen und eine geringere Versteifung bei Stößen mit einschließen. Selbstverständlich kann das Abknicken im übrigen durch eine genaue geometrische Gestalt der Arme 1 erzielt werden. Folglich wird der dynamische Effekt des Abknickens besser gesteuert als bei den üblichen Systemen auf der Grundlage von elastomeren Stoffen, so daß praktisch alle Probleme der oben erwähnten Instabilität ausgeschaltet sind.

Claims (11)

1. Elastische Aufhängung zur Abstützung eines Gerätes mit unterschiedlichen Steifigkeiten, die in der senkrechten Richtung (z) eine relativ hohe Steifigkeit für die Aufnahme der statischen Belastung des Gerätes und in zwei horizontalen Richtungen (x, y), die zueinander und zu der vorstehend erwähnten Richtung orthogonal verlaufen, relativ geringe Steifigkeiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zwischen einer Abstützung (5) des Gerätes und einer festen Fußplatte (6) eine Anordnung von elastischen Armen (1) aufweist, die die Last mit einer verhältnismäßig hohen Steifigkeit abstützen und im Falle des Stoßes in senkrechter Richtung (z) einer Knickung unterliegen können, wobei sich dann ihre Steifigkeit schlagartig verringert, und daß die Vorrichtung zwischen den Enden der Arme (1) und der Abstützung (5) einerseits und der festen Fußplatte (6) andererseits nachgiebige Gelenke (2) enthält, die eine geringe Steifigkeit gegenüber Belastungen aufweisen, die in horizontaler Richtung auf das Gerät einwirken.

2. Elastische Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (1) aus abwechselnden Schichten (3, 9) aus elastischem gegebenenfalls dämpfendem Material und zusammengesetztem Material (4) bestehen, das aus mit Kunstharz imprägnierten Fasern gebildet ist.

3. Elastische Aufhängung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (1) nach außen oder nach innen gebogen sind.

4. Elastische Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (1) eine mittlere Zone (10) mit verringertem Querschnitt aufweisen.

5. Elastische Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Arme (1) enthält, die aus zwei Teilen (1a, 1b) bestehen, die gelenkig miteinander durch ein elastisches Gelenk (11), das gegebenenfalls geschichtet ist, verbunden sind.

6. Elastische Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebigen Gelenke (2) zylindrisch sind.

7. Elastische Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebigen Gelenke (2) sphärisch sind.

8. Elastische Aufhängung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebigen Gelenkverbindungen aus Kautschuk (7)/Metall (8) - Schichten oder nur aus Kautschuk bestehen, der zwischen Armen (1) und Abstützung (5) einerseits und der Fußplatte (6) andererseits angebracht ist.

9. Elastische Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Anschlag (12) enthält, der die relative Verschiebung der Abstützung (5) und der Fußplatte (6) gegeneinander im Falle eines Stoßes begrenzt.

10. Elastische Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie seitlich Stützflächen (13) enthält, die es erlauben, die Biegung der Arme (1) in Querrichtung zu steuern und zu blockieren.

11. Elastische Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Abstützung und Fußplatte zwei bewegliche Platten (5, 6) enthält, deren Verschiebungen in Richtung der Belastungen in beiden Richtungen einerseits durch die Schulter (14) eines Bügels (15) und andererseits durch einen Halteanschlag (15) dieses Bügels begrenzt werden, wobei das Gerät (17) durch eine Stange (18) verlängert ist, die die untere Platte (6) durchquert und unterhalb dieser Platte einen Begrenzungskopf (19) enthält, derart, daß die Arme (1) gleichzeitig Biegekräften unterworfen wird, wenn auf das Gerät nach oben gerichtete Belastungen einwirken.