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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine ringförmige Elastomerschlaufe der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 genannten Art sowie deren Verwendung.
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Eine ringförmige Elastomerschlaufe für eine Aufhängung im Sinne der
Erfindung ist ein in sich geschlossener Ring mit prinzipiell beliebigem Querschnitt,
der im wesentlichen aus einem Elastomer besteht und der Aufnahme, Dämpfung und Pufferung
von Zugkräften dient, die zwischen zwei relativ zueinander beschränkt beweglichen
Konstruktionsteilen oder Maschinenteilen auftreten können.
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Elastomerschlaufen dieser Art werden im Maschinenbaubereich zur Aufhängung
der verschiedensten Teile verwendet, die Schwingungen oder Stoßbelastungen ausgesetzt
sind, beispielsweise zur Aufhängung von Tischen, Leitungen oder Führungen.
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Insbesondere werden beispielsweise auch die Abgasleitungen und Schalldämpfertöpfe,
das sogenannte Auspuffsystem, von Kraftfahrzeugen über solche Elastomerschlaufen
an Trägern aufgehängt, die fest mit der Karosserie des Fahrzeugs verbunden sind.
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Elastomerschlaufen werden wegen ihrer geringen Kosten und wegen ihrer
hohen Korrosionsbeständigkeit und Dauerbelastbarkeit zur Herstellung gedämpfter
Aufhängungen in großem Umfang vorteilhaft eingesetzt. Der große Nachteil solcher
Elastomerschlaufen zu Aufhängungszwecken liegt im Spannungsdehnungsverhalten der
Elastomere. Die Spannungsdehnungskennlinien der Elastomere sind typischerweise durch
eine sehr niedrige Proportionalitätsgrenze bei relativ geringen Zugspannungen, dann
durch einen sehr breiten Dehnungsbereich mit ausgesprochen kleinem Elastizitätsmodul
und schließlich
bei großer Dehnung durch eine nur schwache Zunahme
des Elastizitätsmoduls gekennzeichnet. Dieses Verhalten bewirkt, daß bei wirtschaftlich
sinnvoller Dimensionierung von Elastomerschlaufen zu Aufhängungszwecken bei Lastspitzen,
insbesondere bei Stoßlastspitzen, das belastete Konstruktionsteil einen relativ
weiten Hub gegenüber dem tragenden Konstruktionsteil ausführt und bei Aufheben der
Last mit relativ großer Beschleunigung gegen das tragende Konstruktionsteil zurückgeführt
wird. Das an der Elastomerschlaufe gedämpft aufgehängte stoßbelastete Konstruktionselement
beginnt also unter Spitzenstoßbelastung zu schlagen.
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Aus der Praxis bekanntgewordene Versuche, die Elastomerschlaufe durch
Verstärkungseinlagen zu verfestigen, haben nicht zum Erfolg geführt. Die Spannungsdehnungskennlinien
zeigen im Proportionalitätsbereich einen so steilen Anstieg, daß das angestrebte
Dämpfungsverhalten der Elastomeraufhängung weitgehend verlorengeht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ringförmige Elastomerschlaufe
für eine Aufhängung zu schaffen, deren Spannungsdehnungskennlinie einen möglichst
breiten und flachen Proportionalitätsbereich und unmittelbar anschließend einen
relativ steilen Anstieg zeigt, wobei die Breite des Proportionalitätsbereichs problemlos
nach Maßgabe des zulässigen Hubes für das zu dämpfende Konstruktionselement der
Aufhängung einstellbar sein soll.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Elastomerschlaufe
der eingangs genannten Art, die erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gekennzeichnet ist.
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Die Erfindung schafft also eine Elastomerschlaufe, in die eine Zugfeder
aus prinzipiell beliebigem Werkstoff in der
Weise eingebettet ist,
daß sich die Zugfeder in einem zumindest im wesentlichen entspannten Zustand befindet,
wenn sich auch das Elastomer der Schlaufe in einem zumindest im wesentlichen entspannten
Zustand befindet. "Eingebettet" bedeutet dabei, daß die Zugfeder allseitig vom Elastomer
vollständig umschlossen ist, vorzugsweise die Elastomermischung also um die Zugfeder
herum durch Spritzgießen oder Formpressen geformt und anschließend vernetzt worden
ist.
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Durch eine solche Herstellung wird eine besonders gute und gut kraftübertragende
Anbindung der Zugfeder an das Elastomer erzielt.
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Die Zugfeder ist vorzugsweise eine Stahlfeder, kann ohne weiteres
jedoch auch eine federnde Kunststoffeinlage sein.
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Die für die in das Elastomer einzubettende Zugfeder zu wählende Zugkraft
und der für diese Feder zu wählende maximale Federweg sind einerseits eine Funktion
der Art und der Bemessung des Elastomers und sind andererseits eine Funktion des
aus konstruktiven Bedingungen vorgegebenen maximal zulässigen Hubes oder maximal
zulässigen Verschiebungsweges der beiden gegeneinander zu dämpfenden, aneinander
aufgehängten Konstruktionselemente. Wenige routinemäßig durchzuführende Vorversuche
setzen den Fachmann ohne weiteres in die Lage, Elastomer und Zugfeder in der für
den vorgegebenen Anwendungszweck geforderten Weise aufeinander abzustimmen.
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Der Verlauf der Spannungsdehnungskurve der zugfederverstärkten Elastomerschlaufe
der Erfindung ist dabei zunächst durch eine Überlagerung der Kennlinien für das
Elastomer und für die eingebettete Feder gekennzeichnet und ohne weiteres auch über
einen breiteren Bereich proportional, und zwar in durchaus erwünschter Weise auch
relativ flach proportional, also mit kleinem Elastizitätsmodul, einstellbar. Kurz
vor dem und nach dem Erreichen der maximalen federelastischen Dehnbarkeit
der
Zugfeder wird die Kennlinie dann jedoch praktisch ausschließlich durch die Festigkeit
des straff gedehnten Federwerkstoffs bestimmt, was zu einem steilen Anstieg der
Spannungsdehnungskennlinie führt. Dadurch wird erreicht, daß das gedämpfte Konstruktionselement
der Aufhängung im zulässigen Hubbereich linear gedämpft wird, im Bereich von Spitzenlasten,
insbesondere Spitzenstoßlasten, aber eine nahezu exponentielle Auffangdämpfung einsetzt,
die auch im Bereich höchster Spitzenbelastungen des gedaämpften Konstruktionselements
Hubbewegungen dieses Elements über einen kritischen Grenzwert hinaus ausschließt.
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Wenn dieser kritische absolute Grenzwertbereich mit innerhalb des
nutzbaren Kennlinienbereiches liegen soll, so ist die maximale federelastische Dehnbarkeit
der in das Elastomer eingebetteten Zugfeder vorzugsweise wesentlich kleiner als
die Reißdehnung des Elastomers, typischerweise um mindestens 50 %, vorzugsweise
um mindestens 100 %, und insbesondere um mindestens 200 % kleiner als die Reißdehnung
des Elastomers.
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Eine besondere Schonung der mit einer großen Anzahl von Lastzyklen
belasteten Elastomerschlaufe der Erfindung kann dadurch erreicht werden, daß die
Zugfeder im Bereich der an das Elastomer angreifenden Kraftübertragungselemente
der Aufhängung nicht federelastisch dehnbar, also gestreckt, ausgebildet ist.
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Eine weitere Schonung, das heißt in der Praxis eine Verlängerung der
Standzeit der Elastomerschlaufe bei Zyklusbelastung, kann dadurch erzielt werden,
daß die eingebettete Zugfeder aus einem flachen Bandstahl besteht, der im Dehnungsbereich
zumindest im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Dehnung ausgerichtete Amplituden
einer Federwellung aufweist. Bezogen auf die Hauptebene der ringförmigen
Elastomerschlaufe
steht die Bandstahlfeder vorzugsweise axial, so daß also ein Betrachter bei Draufsicht
auf die Hauptebene des ringförmig geschlossenen Profils der Elastomerschlaufe gleichsam
auf die schmale scharfe Kante des zylindrisch stehenden Federbandstahls sieht. Durch
diese Anordnung der Flachbandstahlfeder wird erreicht, daß die Feder breitflächig
die Kräfte aufnimmt, die von einem auf der Innenseite des Elastomerringes angreifenden
und kraftübertragenden Träger auf die Elastomerschlaufe übertragen wird.
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Eine solcherart ausgebildete Elastomerschlaufe wird vorzugsweise zur
Aufhängung der sogenannte Auspuffleitungen und Auspufftöpfe von Kraftfahrzeugen
verwendet.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung und in Draufsicht auf
die Hauptebene ein Ausführungsbeispiel der Elastomerschlaufe im entspannten Zustand;
Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Art in
zwei verschiedenen Dehnungszuständen; und Fig. 3 das Spannungsdehnungsdiagramm der
in den Figuren 1 und 2 gezeigten Elastomerschlaufe.
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Die in der Fig. 1 im entspannten Zustand in Draufsicht auf ihre Ringhauptebene
dargestellte ringförmige Elastomerschlaufe 1 besteht aus einem Elastomerring 2,
in dem eine Zugfeder 3 eingebettet ist. Das Elastomer weist einen kreisförmigen
Schnurquerschnitt
auf. Die Zugfeder 3 ist vom Elastomer vollständig umschlossen und liegt zumindest
angenähert im Bereich der Torrusseele des Elastomerringes 2. Der Elastomerring 2
ist durch Umspritzen der Zugfeder 3 mit einer unvernetzten oder nur vorvernetzten
Elastomermischung und anschließendes Vernetzen des Elastomers hergestellt. Dadurch
wird ein besonders fester Verbund zwischen der Zugfeder 3 und dem Elastomer des
Elastomerringes 2 erzielt.
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Die Zugfeder 3 besteht aus einem Federbandstahl, dessen breite Bandflächen
nach radial außen und radial innen weisen und dessen schmale Kanten nach axial oben
und axial unten weisen, jeweils bezogen auf die Hauptebene der ringförmigen Elastomerschlaufe
1. Die Zugfeder 3 besteht aus einem ursprünglich offenen Federbandstahl, der in
Längsrichtung alternierend glatte Abschnitte 4 und gewellte Federabschnitte 5 aufweist.
Der Bandstahl wird mit zwei glatten Abschnitten 4 überlappt und beispielsweise durch
Punktschweißstellen 6 zu einem geschlossenen Ring verbunden. Die Amplituden der
Federwellungen im gewellten Bandabschnitt 5 stehen senkrecht zur Hauptebene des
Bandmaterials. Die Wellentäler und Wellenberge des gewellten Bandschnitts-5 liegen
senkrecht zur Längsrichtung des Bandmaterials.
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In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der ringförmigen Elastomerschlaufe
1 weist die Zugfeder 3 insgesamt zwei glatte, also nichtfedernde Abschnitte 4 und
jeweils zwischen diesen beiden glatten nichtfedernden Abschnitten 4 zwei federnde
gewellte Abschnitte 5 auf. Die beiden nichtfedernden glatten Abschnitte 4 und die
beiden federnden gewellten Abschnitte 5 liegen sich jeweils diametral gegenüber.
Bestimmungsgemäß wird die so aufgebaute ringförmige Elastomerschlaufe in der Weise
verwendet, daß in der in Fig. 1 gezeigten Art der Zugkraftangriff an die Elastomerschlaufe,
genauer
gesagt an den Elastomerring 2 der Elastomerschlaufe 1, an den Stellen erfolgt, an
denen im Elastomerring 2 die glatten Abschnitte 4 der Zugfeder 3 liegen. Dabei ist
in den Figuren 1 und 2 angenommen, daß der angreifende Träger 7 ortsfest und tragend
ist, während der angreifende Träger 8 das belastete Konstruktionselement der Aufhängung
trägt.
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Während in der Fig. 1 die Elastomerschlaufe im entspannten und unbelasteten
Zustand gezeigt ist, sind in der Fig. 2 zwei verschiedene Lastzustände mit zwei
verschieden Dehnungen zur Verdeutlichung der Ringcharakteristik gezeigt. Das entsprechende
Spannungsdehnungsdiagramm ist in der Fig. 3 wiedergegeben. Solange der gewellte
Bereich 5 der Zugfeder 3 bei Belastung des Lastträgers 8 noch nicht vollständig
ausgezogen ist, verstärkt die Zugfeder 3 bei vorgegebener Dehnung der Elastomerschlaufe
1 die Spannung des Elastomerringes 2, so daß in diesem Bereich über einen relativ
breiten Dehnungsbereich A ein praktisch linearer Verlauf der Spannungsdehnungskennlinie
erhalten wird. Erst bei Erschöpfen der federelastischen Reserve der Zugfeder 3,
also erst kurz vor und bei dem im linken Teil der Fig. 2 gezeigten vollständigen
Glattziehen des ursprünglich gewellten Abschnitts 5' der Zugfeder 3 wird jede weitere
Dehnung der ringförmigen Elastomerschlaufe 1 durch die Festigkeit des glattgezogenen
Bandstahls der Zugfeder 3 unterbunden. Die Spannungsdehnungskennlinie (Fig. 3) führt
daher in diesem Grenzdehnungsbereich B zu einem steilen, zumindest angenähert exponentiellen
Anstieg.
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Der Hubweg des extrem belasteten Lastträgers 8' ist dadurch strikt
auf die Gesamtdehnung A+B beschränkt. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß sich
an den breiten linearen Nutzbereich A der Dehnung kein breites Übergangsgebiet anschließt,
sondern der kritische Begrenzungsbereich B unmittelbar an den Nutzbereich A anschließt,
wobei dieser Grenzbereich oder Notauffangbereich auf einen relativ kurzen Dehnungsbereich
oder Hubweg begrenzt ist.
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