DE69202351T2

DE69202351T2 - Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung.

Info

Publication number: DE69202351T2
Application number: DE69202351T
Authority: DE
Inventors: Peter J Balsells
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-02-14
Filing date: 1992-02-04
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: DE69202351D1; ATE122437T1; JPH0571566A; US5358224A; EP0499119A1; EP0499119B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Vorrichtungen zuin Regeln von Stößen und Schwingungen der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 26, 30 und 31 gegebenen Art. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf schwingungsdämpfende Lagervorrichtungen, die nützlich für den Schutz von Trägerstrukturen vor Störungen durch Schwingungen und Stöße sind, die bei gewissen Apparaturen auftreten, und/oder zum Schutz von empfindlichen Apparaturen vor Stößen und Schwingungen, die von Strukturen ausgehen, auf welchen die Apparatur befestigt ist.
In seiner elementarsten Form kann ein Schwingungs-Isolator als ein elastisches Teil betrachtet werden, das die Apparatur und eine Trägerstruktur miteinander verbindet. Seine Funktion besteht darin, die Größe der Bewegung, die von einer schwingenden Trägerstruktur an die Apparatur übertragen wird oder die Größe der Kraft, die von der Apparatur an die Trägerstruktur übertragen wird, zu reduzieren.
Im allgemeinen können schwingungsdämpfende Lagervorrichtungen in zwei allgemeine Arten klassifiziert werden: Elastomer-Isolatoren und Metallfeder-Isolatoren.
Elastomer-Isolatoren können auch aus synthetischem oder natürlichem Gummi oder dergleichen gefertigt sein und werden weitläufig verwendet, da sie bequem geformt werden können, so daß sie für eine beliebige Anzahl an ausgewählten Formen mit einer ausgewählten Festigkeit passen und haben im allgemeinen eine höhere innere Dämpfung als Metallfeder-Isolatoren. Darüberhinaus benötigen Elastomer-Isolatoren normalerweise weniger Platz und sind leichter als Metallisolatoren. Die Elastomer-Isolatoren können mit Metalleinsätzen verbunden werden, um das Befestigen zwischen der Apparatur und den Trägerstrukturen zu vereinfachen. Plastikmaterialien können auch verwendet werden, wenn ihre Charakteristiken ähnlich zu denen der Gummielastomere oder Synthetikgummi-Elastomere sind.
Metallfeder-Isolatoren werden normalerweise dann verwendet, wenn eine große statische Biegung erforderlich ist und dort, wo ein Elastomer-Isolator aufgrund der Temperatur oder anderen Umgebungsbedingungen ungeeignet ist.
Von den Metallfeder-Isolator-Lagervorrichtungen sind die Federn mit schraubenförmigen Windungen die am meisten verwendeten. Typischerweise werden Schraubenfedern aus Stangenmaterial oder aus einem in Schraubenform aufgerolltem Draht gefertigt und eine Belastung erfolgt entlang der Achse der Schraubenlinie. Eine Schraubenfeder hat normalerweise eine gerade Belastung/Biegungs-Charakteristik, wie im folgenden ausführlicher erläutert wird. Diese Art von Feder ist der einfachste und am weitesten verbreitete Energie-Speicher- Isolator.
Federn mit schraubenförmigen Windungen haben ein sehr großes Maß an Biegung, jedoch relativ schlechte Isolationseigenschaften. Diese Charakteristik sollte den elastomerischen Isolatoreinrichtungen gegenübergestellt werden, welche gute Isolationseigenschaften, jedoch eine beschränkte Biegungs- Fähigkeit haben. In bezug auf die Belastung/Biegungs-Charakteristiken bieten Elastomer-Isolatoren eine im allgemeinen parabolische Reaktion, die ein nicht-lineares Verhältnis zwischen Kraft und Biegung zur Folge haben. D.h., bei einer Druck-Belastung einer elastomerischen Lagervorrichtung ist es anfänglich eine kleine Belastung, mit Zunahme der Belastung jedoch steigt die Festigkeit, wodurch die sich entwickelnde Kraftmenge steigt und eine verstärkte Stoßdämpfungseinrichtung bereitgestellt wird.
Aufgrund der unterschiedlichen Charakteristiken von Isolator-Lagervorrichtungen mit Schraubenfedern und elastomerischen Isolatoreinrichtungen werden die beiden oft kombiniert, um zu versuchen, jeweils die besten Eigenschaften von beiden zu nutzen. Die Effektivität eines solchen kombinierten Isolators kann jedoch inakzeptabel sein, wie im folgenden ausführlicher erörtert wird.
Die Effektivität eines Isolators wird von einer Anzahl von Faktoren bestimmt, einschließlich seiner Fähigkeit Energie zu absorbieren, seiner Übertragungsfähigkeit, der natürlichen Frequenz des Isolators, dem Dämpfungsverhältnis oder Anteil der kritischen Dämpfung und der Isolationsfrequenz der Überbeanspruchbarkeit des Isolators.
Die europäische Offenlegungsschrift EP 0 053 502 A1 offenbart eine elastische Vorrichtung zum Absorbieren von Schwingungs- und Stoßbelastungen. Die Vorrichtung umfaßt einen zylindrischen Stapel mit einer Mehrzahl von elastischen Ringen, die in Reihe angeordnet sind, ein Paar Last-Stützelemente, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, um den zylindrischen Stapel zu halten und eine Einrichtung zum Beschränken einer axialen Bewegung der elastischen Ringe. Die Ringe verformen sich elastisch in ihrer entgegengesetzten Richtung unter der Wirkung einer Kompressionskraft, die zwischen den Stützelementen angewandt wird, um Schwingungs- und Stoßenergie zu absorbieren.
Angesichts der oben genannten Merkmale gemäß dem Stand der Technik, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine schwingungsdämpfende Lagervorrichtung bereitzustellen, die ein hohes Maß an Biegung und außerdem gute Isolationseigenschaften zusammen mit einer hohen Energiespeicher-Kapazität im Statik- und Überbelastungs-Schutzbereich bereitstellt.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale in den kennzeichnenden Teilen von Anspruch 1, 26, 30 und 31 in Kombination mit ihren jeweiligen Oberbegriffen erzielt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine schwingungsdämpfende Lagervorrichtung im allgemeinen eine Trägerstruktur, eine Vorrichtung und Isolatoreinrichtung auf, die zwischen der Trägerstruktur und der Vorrichtung zum Reduzieren einer Übertragung von mechanischer Schwingungsenergie zwischen diesen angeordnet ist. Insbesondere weist die Isolatoreinrichtung eine Vielzahl von gekippten Windungen auf, die miteinander verbunden sind, um zu bewirken, daß die Isolatoreinrichtung eine im allgemeinen konstante Kraft in Reaktion auf eine Biegung der Federanordnung innerhalb eines bestimmten Bereichs entlang einer Belastungsrichtung aufgrund mechanischer Schwingungen der Trägerstrukturen oder der Vorrichtung ausübt.
Außerdem kann die Isolatoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine wesentlich größere Kraft zwischen der Trägerstruktur und der Vorrichtung ausüben, wenn die Feder über den oben erwähnten bestimmten Bereich hinaus gebogen ist.
In dieser Weise kann die vorliegende Erfindung ein hohes Maß an Biegung zwischen der Trägerstruktur und der Vorrichtung aufnehmen und kann somit Schwingungen mit einem hohen Maß an Belastungstoleranz absorbieren, während ein bedeutender Überbelastungsschutz gegen vorübergehende Stoßbelastungen bereitgestellt wird. Die Einrichtung mit gekippten Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung bietet als solche eine Kombination von Eigenschaften, die über die der oben beschriebenen Schraubenfeder- und der elastomerischen Isolatoreinrichtung oder einer Kombination von diesen hinausgehen. Dadurch unterscheidet sich die vorliegende Erfindung deutlich von früheren Isolatoreinrichtungen Lagervorrichtungen, ob Federn, Elastomere oder eine Kombination von diesen.
Insbesondere können die Isolatoreinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Einrichtungen mit gekippten Windungen aufweisen, bei welchen die wesentlich größere Kraft, die von der Feder über den bestimmten Bereich hinaus ausgeübt wird, bis zu elf mal größer ist als die im allgemeinen konstante Kraft, die von der Einrichtung mit gekippten Windungen in dem bestimmten Bereich ausgeübt wird.
Zusätzlich kann eine Einrichtung aus elastischem Material bereitgestellt sein und um die und zwischen der Vielzahl von Spulen angeordnet sein, um eine Isolationseffektivität der Isolatoreinrichtung zu modifizieren. In dieser Hinsicht kann die Isolationseffektivität als der Differenz zwischen dem dynamischen Eingang und dem dynamischen Ausgang, geteilt durch den dynamischen Eingang, entsprechend angenommen werden, wobei die Isolationseffektivität 100% beträgt, wenn keine Übertragung von Schwingungsenergie durch sie hindurch erfolgt, d.h. dynamischer Ausgang von Null.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das elastische Material einen festen Querschnitt durch die gesamte Windungseinrichtung, wodurch die wesentlich größere Kraft ca. drei mal größer sein kann als die im allgemeinen konstante Kraft.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das elastische Material einen hohlen Querschnitt, in welchem Fall die wesentlich größere Kraft bis zu sieben mal größer sein kann als die im allgemeinen konstante Kraft.
Beliebige der oben erwähnten Ausführungsformen können weiterhin gekennzeichnet sein, wenn die Enden der Vielzahl der miteinander verbundenen Windungen verbunden sind, um eine kontinuierliche Feder mit Windungen zu bilden, die eine kreisförmige oder nicht-kreisförmige Anordnung haben kann.
Die vorliegende Erfindung weist weitere Ausführungsformen auf, bei welchen das elastische Material mit der Vielzahl der Windungen verbunden oder nicht verbunden ist.
Ein zusätzliches wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, wenn die Vielzahl der miteinander verbundenen Windungen eine elliptische Form hat, beinhaltet eine Einrichtung zum Bewirken einer Verschiebung zwischen der Trägerstruktur und der Vorrichtung, um die Isolatoreinrichtung entlang einer Nebenachse der Windungen zu belasten. Alternativ dazu kann eine Einrichtung vorgesehen sein, um eine Verschiebung zwischen der Trägerstruktur und der Vorrichtung zu bewirken, um die Isolator-Federeinrichtung entlang einer Hauptachse der Windungen zu belasten.
Insbesondere absorbiert die Isolatoreinrichtung, wenn sie zwischen der Trägerstruktur und der Vorrichtung angeordnet ist, mechanische Schwingungsenergie mittels einer Vielzahl von gekippten Windungen, die ein Dämpfungsverhältnis von ca. 0,025 bei der Resonanzfrequenz der Isolatoreinrichtung aufweist. Bei dieser Ausführungsform kann eine Einrichtung aus elastischem Material vorgesehen sein und um die und zwischen der Vielzahl von Spulen angeordnet sein, um das Dämpfungsverhältnis zu erhöhen. Wenn die Einrichtung aus elastischem Material einen festen Querschnitt hat, wird das Dämpfungsverhältnis bei der Resonanzfrequenz der Isolator-Federeinrichtung auf ca. 0,2 erhöht und wenn die Einrichtung aus elastischem Material einen hohlen Querschnitt hat, kann das Dämpfungsverhältnis bei der Resonanzfrequenz der Isolator- Federeinrichtung auf ca. 0,1 erhöht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine ähnliche Isolatoreinrichtung mit einer Vielzahl von gekippten Windungen und dem elastischen Material, das um die und zwischen der Vielzahl der gekippten Windungen angeordnet ist, vorgesehen, um die Übertragung von mechanischen Schwingungen zwischen der Trägerstruktur und der Vorrichtung zu reduzieren sowie, was wichtig ist, um eine Druckdichtung zwischen diesen bereitzustellen.
Bei Betrieb bietet die Isolatoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die zwischen einer Trägerstruktur und einer Vorrichtung angeordnet ist, eine Einrichtung zum Absorbieren von mechanischer Schwingungsenergie, wodurch eine Isolation von Schwingungen und Stößen zwischen der Trägerstruktur und der Vorrichtung bewirkt wird. Die Anordnung der Isolatoreinrichtung beinhaltet eine Vielzahl von gekippten Windungen mit einem Energie-Absorptionsfaktor, der etwa zwei mal größer ist als der Energie-Absorptionsfaktor einer Schraubenfeder mit Windungen von im wesentlichen derselben Größe und desselben Drahtdurchmessers wie die Vielzahl der gekippten Windungen.
Zur Förderung der Energie-Absorptionsfähigkeit der Isolatoreinrichtung kann eine Einrichtung aus elastischem Material vorgesehen sein, welche um die und zwischen der Vielzahl an gekippten Windungen vorgesehen ist, um den Energie-Absorptionsfaktor zu erhöhen. Wenn die Einrichtung aus elastischem Material einen festen Querschnitt hat, kann der Energie-Absorptionsfaktor im Vergleich zu einer Schraubenfeder auf etwa 3,5 erhöht werden. Falls die Einrichtung aus elastischem Material einen hohlen Querschnitt hat, kann der Energie-Absorptionsfaktor im Vergleich zu einer Schraubenfeder, auf etwa 2,2 erhöht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Betrachtung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer schraubenförmigen Isolator-Feder gemäß dem Stand der Technik, in der ihre Belastung gezeigt ist;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines elastomerischen Isolators gemäß dem Stand der Technik, die eine Verformung unter Belastung zeigt;
Fig. 3a eine Darstellung eines eine Vielzahl von gekippten Windungen aufweisenden Isolators gemäß der vorliegenden Erfindung und die Art von deren Belastung;
Fig. 3b eine Seitenansicht des in Fig. 3a gezeigten Isolators vor der Belastung;
Fig. 3c eine Seitenansicht des in Fig. 3a gezeigten Isolators unter Belastung;
Fig. 4 eine Reihe von Kurven, die die Kraft/Biegungs-Charakteristiken der in Figuren 1 und 2 gezeigten Elastomere gemäß dem Stand der Technik sowie die Kraft/Biegungs-Charakteristiken des in Fig. 3a gezeigten erfindungsgemäßen Isolators zeigen;
Fig. 5 einen Querschnitt einer Feder mit gekippten Windungen, die mit einem festen Elastomer gefüllt ist gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 einen Querschnitt einer Feder mit gekippten Windungen, die mit einem Elastomer gefüllt ist, das sich über den Außendurchmesser des Elastomers in Kombination mit der Feder mit gekippten Windungen erstreckt;
Fign.7-13 verschiedene Anordnungen der vorliegenden Erfindung, die Variationen der Anordnung der Elastomer- Federn mit gekippten Windungen zeigen;
Fign.14a und 14b die Merkmale der vorliegenden Erfindung, bei welchen zwei gekippte Windungen verwendet werden, wobei die Windungen in dieselbe Richtung gekippt sind;
Fign.15a und 15b einen Isolator gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Windungen, bei welchem die Windungen in entgegengesetzte Richtungen gekippt sind;
Fign.16a-16d Seitenansichten eines Querschnitts, die die relative Verschiebung des elastischen Materials mit gekippten Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 17 eine Darstellung eines kontinuierlichen nicht-kreisförmigen Isolators mit gekippten Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fign.18a und 18b die Belastung des Elastomers mit gekippten Windungen entlang seiner Hauptachse, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung eine Nut verwendet wird;
Fign.19a-19c das Elastomer mit gekippten Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Keil, um eine Belastung des Elastomers mit gekippten Windungen entlang einer Nebenachse zu ermöglichen;
Fig. 20 eine Kraft/Biegungs-Kurve für einen Isolator mit gekippten Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung, der axial entlang seiner Hauptachse belastet ist;
Fig. 21 eine Belastung/Biegungs-Kurve für einen Isolator mit gekippten Windungen, der axial entlang seiner Nebenachse belastet ist;
Fig. 22 ein Schaubild, das die typischen Dimensionen des Isolators mit gekippten Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 23 eine Kraft/Biegungs-Kurve für einen Isolator mit gekippten Windungen, der entlang seiner Nebenachse axial belastet ist, während er in einer Nut ist, wie in Fig. 19a und 19b gezeigt;
Fig. 24 eine Darstellung eines Isolators mit Schraubenfeder gemäß dem Stand der Technik mit im wesentlichen denselben Dimensionen wie der in Fig. 22 gezeigte Isolator mit gekippten Windungen;
Fig. 25 eine Zusammenfassung der Belastung/Biegungs-Charakteristiken von Isolatoren gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu denen gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 26 ein Vergleich des Verhältnisses zwischen Übertragungsfähigkeit und Frequenz der erfindungsgemäßen Isolatoren im Vergleich zu denen gemäß dem Stand der Technik;
Fign.27-29 Auftragungen von Verschiebung gegen die Zeit bei erfindungsgemäßen Isolatoren im Vergleich zu Isolatoren gemäß dem Stand der Technik.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Wie oben erläutert, weisen Isolatorvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik eine in Fig. 1 gezeigte Schraubenfeder 10 und ein in Fig. 2 gezeigtes Elastomer auf, welche in komprimiertem Zustand gezeigt sind. In Reaktion auf eine Kraft PH, P6E weisen die Schraubenfeder 10 und das Elastomer 12 Verformungen DH bzw. DE auf.
Diese Strukturen werden mit der in Fig. 3a gezeigten schwingungsdämpfenden Lagervorrichtung 20 verglichen, die im allgemeinen eine Trägerstruktur 22 und eine Vorrichtung 24 aufweist. Eine Kraft Pcc, die z.B. durch Schwingungen der Trägerstruktur 22 oder der Vorrichtung 24 erzeugt wird, resultiert in einer Biegung Dcc des Isolators 26, wobei die Biegung in Figuren 3b und 3c deutlicher gezeigt ist.
Wie im folgenden ausführlicher beschrieben ist, kann der Isolator, wenn er zwischen der Trägerstruktur 22 und der Vorrichtung 24 angeordnet ist, die Übertragung von mechanischen Schwingungen zwischen diesen reduzieren. Es sollte beachtet werden, daß die gezeigte Struktur 22 eine beliebige Art von Struktur darstellt, wie z.B. eine Wand, einen Träger oder eine jegliche andere Basis oder Vorrichtung zum Stützen der Apparatur 24, die z.B. ein Motor, eine Pumpe, ein Instrument oder eine beliebige elektronische Apparatur sein kann.
Wie im folgenden ausführlicher beschrieben ist, weist der Isolator 26 im allgemeinen eine Vielzahl von gekippten Windungen 30 auf, die miteinander so verbunden sind, daß bewirkt wird, daß der Isolator 26 in Reaktion auf eine Biegung der Windungen innerhalb eines bestimmten Bereichs entlang der Belastungsrichtung aufgrund von mechanischen Schwingungen, die von der Trägerstruktur 22 oder der Apparatur 24 erzeugt werden, eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung Dcc ausübt, die ungefähr senkrecht zur Mittellinie 32 der Windungen 30 ist.
Außerdem bewirken die Windungen 30, daß der Isolator 26 eine im wesentlichen größere Kraft ausübt, wenn die Windungen über den bestimmten Bereich hinaus gebogen werden. Typische Kraft/Biegungs-Charakteristiken der schwingungsdämpfenden Lagervorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 4 als Kurve A dargestellt. Wenn die Windungen 30 eine elliptische Form haben, wie in Fig. 3b deutlicher dargestellt, kann ihre Belastung entweder entlang ihrer Nebenoder Mauptachse erfolgen, wie im folgenden ausführlicher beschrieben wird. In jedem Fall ist die Form der Kraft/Biegungs-Charakteristiken der Windung im allgemeinen wie durch Kurve A in Fig. 4 gezeigt, wo man erkennen kann, daß nach einer anfänglichen Arbeitsbiegung 34, die Kraft während zusätzlicher Biegung in einem Arbeitsbereich 36 zwischen dem Punkt anfänglicher Arbeitsbiegung 34 und einem Punkt 38, an welchem die Windungen aneinander anliegen, konstant ist. Nach diesem Arbeitsbiegungs-Bereich oder statischen Belastungsbereich 36 ist die Kraft/Biegung des Isolators 26 nicht-linear, bis sie einen maximalen nutzbaren Biegungspunkt 40 erreicht. Die wesentlich gestiegene Kraft in dem Biegungsbereich 38 und 40 stellt einen Überbelastungs- Schutzbereich 42 dar und der Bereich unterhalb der Kurve A von Punkt 38 zu 40 stellt einen Überlastungs-Kapazitätsbereich dar. Wie in Fig. 4 gezeigt, bietet der Feder-Isolator 26 mit gekippten Windungen einen statischen Überlastungs- Faktor von ca. 11,1 (die Bedeutung dieses Faktors wird im folgenden ausführlicher erläutert). Es sollte bemerkt werden, daß während der in Fig. 3a gezeigte Isolator 26 linear ist, er so zusammengefügt werden könnte, daß er eine kreisförmige Konfiguration annimmt.
Als Vergleich ist in Fig. 4 als Kurve B eine typische Kraft/Biegungs-Kurve für einen Isolator 10 des Typs einer Schraubenfeder gezeigt. Wie durch die Kurve B gezeigt, bleibt die Kraft/Biegungs-Charakteristik relativ proportional oder linear bis zu einer Biegung von ca. 45% und danach steigt die Kraft sehr deutlich mit der Biegung an. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß eine weitere Biegung normalerweise eine permanente Materialermüdung der Schraubenfeder 10 zur Folge hat, was bedeutet, daß die Feder bei Entfernen der Last nicht wieder zu ihrer ursprünglichen Höhe zurückkehrt.
Die Kurve C in Fig. 4 ist eine typische Kraft/Biegungs-Kurve für einen Elastomer-Isolator 12, welcher, wie in Fig. 2 gezeigt, unter einer konkreten Belastung eine Kraft/Biegungs- Kurve hat, die über einen relativ linearen Bereich hinaus bis zu einer Biegung von ca. 25% parabolisch ist. Es ist ersichtlich, daß über diese Biegung hinaus die Belastung sehr deutlich zunimmt. Leider werden Elastomere bei Kompression mit Biegungen von mehr als 15% normalerweise nicht verwendet, da das Elastomer dazu neigt, zu kriechen und aufgrund von Materialermüdung durch Beanspruchung zu versagen.
Ein Vergleich der Kurven A, B und C zeigt, daß der erfindungsgemäße Isolator 26 mit gekippten Windungen einen bedeutend verbesserten Überbelastungsfaktor aufweist, der einen bedeutenden Überbelastungschutz gegen vorübergehende Stoß- Belastungen bereitstellt.
Alternative Ausführungsformen 44, 46 der vorliegenden Erfindung sind in Figuren 5 bzw. 6 gezeigt, in welchen ein elastisches Material 46 um die und zwischen den Windungen 30 angeordnet ist. Wie in Figuren 5 und 6 gezeigt, weisen die Ausführungsformen 44, 46 ein Elastomer mit einem festen Querschnitt im Inneren der Windungen auf. Das elastische Material 46 kann, wie in Fig. 6 gezeigt, sich bis außerhalb der Windungen 30 erstrecken. Das elastische Material 46 kann mit den Windungen 30 verbunden werden oder um die Windungen herum geformt werden, ohne mit diesen verbunden zu werden. Ein beliebiges geeignetes Elastomer-Material, Plastik, Paste/Kleister kann in Verbindung mit den Windungen verwendet werden, vorzugsweise werden jedoch Materialien wie Silicon RTV 732, erhältlich von Dow Corning, verwendet. In Situationen, in welchen das elastische Material 46 mit den Windungen verbunden wird, können die Windungen 30 in einer beliebigen wohlbekannten Weise behandelt werden, wie z.B. durch Ätzen oder Vorbeschichten der Windungen, um ein Haften des Elastomers 36, 32 sicherzustellen. Wenn alternativ dazu keine Oberflächenbehandlung vorgenommen wird oder ein geeignetes nicht-haftendes Material auf die Windungen aufgebracht wird, bevor das Elastomer 46 verwendet wird, wird das letztere nur um diese herum geformt ohne wesentliche Verbindung zu diesen.
Fig. 4 zeigt eine typische Kraft/Biegungs-Kurve für einen Isolator 44, 46, gezeigt als Kurve D. Wie aus der Kurve D hervorgeht, ist die von der festen mit Elastomer gefüllten Windung 30 entwickelte Kraft nicht so konstant in der Arbeitsbiegung wie die durch Kurve A dargestellte Windung allein. Bei einer Biegung von ca. 35% nimmt die Kraft allmählich zu und die Differenz zwischen der in der Arbeitsbiegung entwickelten Kraft und der maximalen Belastung bei einem Überbelastungsschutzbereich von 50%, liegt nur bei 2,9 im Vergleich zu 11,1 bei dieser Feder allein. Somit beeinflußt das Hinzufügen des Elastomers 46 zu den Windungen 30 die Leistung des Isolators 26 durch wesentliches Reduzieren der Biegung und des Überbelastungsschutzes, den die Windungen 30 allein bieten. Wie jedoch im folgenden ausführlicher beschrieben wird, ergeben sich andere Vorteile durch Erhöhen der Dämpfung und Senken der Übertragungs fähigkeit des Isolators 44, 46.
Eine weitere in Fig. 7 im Querschnitt gezeigte Ausführungsform 50 der vorliegenden Erfindung weist Windungen 52 und Elastomer 54 in der Öffnung 56 auf, wodurch das Elastomer- Material 54 einen hohlen Querschnitt erhält.
Die Kurve E in Fig. 4 zeigt eine typische Kraft/Biegungs- Charakteristik oder -Kurve für den Isolator 50. Wie ersichtlich ist, bleibt die Kraft/Biegung in der Arbeitsbiegung relativ konstant und danach steigt die Kraft sehr stark, wodurch ein hohes Maß an optimalem Schutz bereitgestellt wird. In diesem Fall beträgt die Differenz zwischen dem statischen Belastungsbereich und dem maximalen Überbelastungsbereich bei einer Biegung von 50% 6,9. Aus der charakteristischen Kurve E ist ersichtlich, daß der Isolator 50 eine größere statische Kraft bereitstellt und außerdem der Überbelastungsschutz sehr allmählich steigt. Ein solcher Überbelastungsschutz ist jedoch nicht so groß wie der von dem Federisolator 26 allein bereitgestellte. Bei beiden Ausführungsformen 44 und 50, die eine Kombination einer Windung 30, 52 und Elastomer 46, 54 verwenden, ist die Windung mit einem Dow Corning 730 Elastomer gefüllt, wobei das Elastomer 46, 54 mit den Windungen 30 bzw. 52 verbunden ist. Außerdem sind alle Kraft/Biegungs-Charakteristiken, die für die Isolatoren 26, 46, 50 gezeigt sind, in der Länge auf einen Isolator mit gekippten Windungen gerichtet, der entlang seiner Nebenachse belastet ist, wie im folgenden ausführlicher beschrieben ist.
Andere Ausführungsformen 58, 60 weisen, wie in Figuren 8 und 9 gezeigt, ein hohles Elastomer 62, 64 auf, in Fig. 8 sind die Windungen 66 elliptisch mit einem Versatz oder einer im allgemeinen rechteckigen, hohlen, durchgehenden Querschnittsöffnung 70, während Fig. 9 elliptisch geformte Windungen 72 aufweist, wobei das Elastomer 64 eine unregelmäßig geformte Öffnung 74 mit zwei im allgemeinen kreisförmigen Querschnittsflächen 76, 78 aufweist. In Fig. 7, 8 und 9 sind die Elastomere 54, 62, 64 im Innern der Windungen 52, 66, 72 gezeigt. Alternativ dazu, wie in Fig. 10 und 11 gezeigt, können die Elastomere 80, 82 außerhalb der Windungen 84 bzw. 86 angeordnet sein. Und bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform 90 kann das Elastomer 80 an einer Seite 92 angeordnet sein, wodurch eine asymmetrische Verteilung des Elastomers 80 in bezug auf die Windungen 84 bereitgestellt wird.
Weitere Ausführungsformen 96, 98 der Erfindung sind in Figuren 12 und 13 gezeigt, welche im Falle des Isolators 96 Windungen 100 aufweisen, die innen mit Elastomer 102 mit einem elliptischen hohlen Zentrum sowie einer Öffnung 106 durch das Elastomer 102 hindurch versehen sind, um den Durchtritt eines Fluids (nicht gezeigt) zum Variieren des Druckes, zur Kühlung oder zum Schmieren zu erleichtern.
Wie aus Fig. 13 ersichtlich ist, kann das Elastomer 110 sowohl innerhalb 112 als auch außerhalb 114 der Windung 116 angeordnet sein. Alle diese Ausführungsformen beeinflussen die Kraft/Biegungs-Charakteristiken des Isolators 50, 58, 60, 90, 94, 96 und 98 in unterschiedlicher Weise.
In Fig. 14a und 14b ist eine alternative Ausführungsform eines Isolators 120 gezeigt, der eine erste Vielzahl von Windungen 122 aufweist, die untereinander voneinander beabstandet verbunden sind, um zu bewirken, daß der Isolator 120 eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung senkrecht zur Mittellinie 124 ausübt. Wie oben in Verbindung mit der Vielzahl der Windungen 30 beschrieben, kann ein elastisches Material 126 um die und zwischen der Vielzahl der Windungen 122 angeordnet sein, wobei dieses einen hohlen Querschnitt 128 aufweist, um eine Einrichtung zum Modifizieren der von dem Isolator 120 in Reaktion auf eine Biegung des Isolators 120 entlang der Belastungsrichtung, wie oben beschrieben, ausgeübten Kraft bereitzustellen.
In der Vielzahl der Windungen 120 ist eine zweite Vielzahl von Windungen 130 miteinander voneinander beabstandet verbunden und zusammenwirkend in der ersten Vielzahl an Windungen 122 angeordnet, um zu bewirken, daß der Isolator 120 eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung ungefähr senkrecht zur Mittellinie 124 ausübt.
Das Elastomer oder elastisches Material 136 kann um die und zwischen der Vielzahl an Windungen 130 mit einem hohlen Querschnitt 314 angeordnet werden. Fig. 14b zeigt eine Querschnittsansicht des Isolators 120 und zeigt auch, daß die elastischen Materialien 126, 136 voneinander getrennt sein können und einen Spalt 140 dazwischen aufweisen, um bei Belastung des Isolators 120 eine relative Bewegung zwischen ihnen zu ermöglichen.
Ähnlich wie der Isolator 120 weist der Isolator 142, wie in Figuren 15a und 15b gezeigt, eine erste Vielzahl an Windungen 144 auf, wobei elastisches Material 146 und eine zweite Vielzahl an Windungen 148 mit elastischem Material 150 in der ersten Vielzahl an Windungen 144 angeordnet ist.
Die Anordnung der ersten und zweiten Vielzahl an Windungen 144, 148 und des elastischen Materials 146, 150 ist ähnlich zu dem in Figuren 14a und 14b gezeigten Isolator 120 außer, daß die erste Vielzahl an Windungen 144 in einer zur zweiten Vielzahl an Windungen 148 entgegengesetzten Richtung entlang der Mittellinie 152 gekippt ist.
Fig. 15b zeigt den Isolator 142 im Querschnitt.
Eine weitere Darstellung der verschiedenen Positionen des Elastomers 160, 162, 164, 165 und Windungen 166, 168, 170, 171 ist in Figuren 16a, 16b, 16c und 16d gezeigt. Wie in Fig. 16a gezeigt ist, hat das Elastomer 160 die Form eines Schlauches, in welchen die Windungen 166 eingeführt sind.
Alternativ dazu kann das Elastomer oder Plastikmaterial 160, 162, 164, 165 geformt oder auf Windungen 160, 168, 170, 171 extrudiert werden. In dem in Fig. 16a gezeigten Ausführungsbeispiel 172 dringt das Elastomer 160 nicht in die Zwischenräume 174 zwischen den Windungen 166 ein.
Wie in Fig. 16b gezeigt, füllt das Elastomer 162 jedoch teilweise die Zwischenräume 176 zwischen den Windungen 168 bis zu einem Punkt unterhalb der Spitze 178 der Windungen 168. Alternativ dazu kann das Elastomer 164, wie in Fig. 16c gezeigt, mit einer Außenseite 180 der Windungen 170 fluchten und Zwischenräume 182 zwischen den Windungen 170 füllen. Das in Fig. 16d gezeigte Elastomer 165 füllt Zwischenräume 175 zwischen den Windungen 171, während die Außenseite 181 der Windungen 171 frei liegt. Diese Anordnung ermöglicht es, daß das Elastomer 165 sich bei Kompression der Windungen 171 bewegt oder fließt, bis das Elastomer mit der Außenseite 181 der Windungen (wie in Fig. 16c im nicht-komprimierten Zustand gezeigt) fluchtet, um einen direkten Windungskontakt mit der Trägerstruktur und der Vorrichtung (in Fig. 16d nicht gezeigt) bereitzustellen und trotzdem eine Niederdruckdichtung zur Umgebung (bis zu 5 psi) bereitzustellen.
Der Isolator 130 kann linear sein. Wie jedoch in Fig. 17 gezeigt, kann der Isolator 190 Enden 192, 194 aufweisen, die verbunden sind, so daß sie einen kontinuierlichen Isolator bilden. Dies ist in Fig. 17 schaubildlich gezeigt, in der der Isolator 190 im allgemeinen rechteckig ist und ein Elastomer 196 mit hohlem Querschnitt 198 aufweist. Wie nun beschrieben wird, kann der Isolator 190 auch von Anfang an eine Kreisform annehmen oder diese durch Zusammenbau in einer kreisförmigen Anordnung erhalten, was im folgenden ausführlicher beschrieben ist.
Ein Isolator 200 in Kreisform ist in Fig. 18a und 18b gezeigt. In diesem Fall bietet eine Nut 202, die in einer Trägerstruktur 204 angeordnet ist, eine Einrichtung zum Tragen des Isolators mit einem Einbau-Drehwinkel A von ca. 70º, um eine Belastung des Isolators 200 durch eine Vorrichtung 206 (Fig. 18b) im allgemeinen entlang einer Hauptachse 208 zu bewirken. Eine Belastung des Isolators 200 bewirkt einen Belastungs-Drehwinkel B von ca. 40º. Es sollte bemerkt werden, daß, während in Fig. 18a und 18b ein Einbau-Drehwinkel von ca. 70º und ein Belastungs-Drehwinkel von ca. 40º gezeigt sind, andere Einbauwinkel bis zu 90º und andere Belastungen verwendet werden können in Abhängigkeit von der Anwendung und Anordnung des Isalators. Obwohl Fig. 18a und 18b den Isolator 200 in aufgebautem Zustand in dem Hohlraum 202 mit einer Nutenbreite, die größer als die Windungshöhe, jedoch kleiner als die Windungsbreite ist, und einen Einbau-Drehwinkel von weniger als 90º bildend zeigen, kann der Hohlraum 202 eine Nutenbreite aufweisen, die gleich oder kleiner als die Windungshöhe ist. In diesem Fall wird er bei Einbau des Isolators in dem Hohlraum 202 einen Einbau-Drehwinkel von 90º annehmen.
Wenn die Nutenbreite größer als die Isolator-Windungshöhe ist, jedoch kleiner als die Windungsbreite, kann keine radiale Feder verwendet werden und eine axiale Feder muß verwendet werden, so daß bei Einbau der Feder in dem Hohlraum, die Windungen entlang der Nebenachse gebogen werden, um die Feder in einem solchen Hohlraum zu halten. Unter solchen Umständen beträgt der Einbau-Drehwinkel weniger als 90º (vorzugsweise 70º). Obwohl das beschriebene Verfahren das bevorzugte Verfahren ist, d.h. Verwendung einer axialen Feder, kann auch eine radiale Feder verwendet werden. Die radiale Feder wird nicht so gut wirken, da sie zu Zackenbildung und Materialermüdung neigt.
Obwohl dies in den Figuren 18a und 18b nicht gezeigt ist, kann der Isolator 200 in einer Nut in der Vorrichtung 206 angeordnet sein und nicht in der Trägerstruktur 204, was die gleichen Ergebnisse bringt. Es sollte bemerkt werden, daß, wie in den Figuren 18a und 18b gezeigt, bei einem Einbau- Drehwinkel A von 70º der Isolator 200 eine "Konus"-Form, wie mit gestrichelten Linien gezeigt ist, annimmt. In den Figuren 18a kann der Isolator 200 auch in einer Nut 202 angeordnet sein, so daß er die Anordnung eines "invertierten Konus" annimmt.
Alternativ dazu, wie in den Figuren 19a und 19b gezeigt, kann ein Keil 212 vorgesehen sein, der in Zusammenwirkung mit der Nut 202 eine Einrichtung bereitstellt, um den Isolator 200 entlang einer Nebenachse 214 zu belasten. In diesem Fall bewirkt die Vorrichtung 206, die gegen den Keil 212 wirkt, eine Biegung 218 entlang der Nebenachse 214, wie in Fig. 19b deutlicher gezeigt ist.
Fig. 19c stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei welcher der Isolator 200 in einer Nut 202 in einem Zylinder 206 gestützt ist, um eine Übertragung von mechanischer Schwingungsenergie zwischen dem Zylinder oder der Vorrichtung 206' und einer Trägerstruktur 204' zu reduzieren, wobei ein Keil 212', der ein integrales Teil des Zylinders 206' ist, für eine Belastung der Nebenachse 214 des Isolators 200 sorgt.
Figuren 20 und 21 zeigen die Belastung oder Kraft/Biegungs- Kurven für den Isolator 200, wenn er, wie in Fig. 3a gezeigt, entlang der Hauptachse bzw. entlang der Nebenachse belastet ist.
Die mechanischen Charakteristiken des Isolators 200 sind in Fig. 22 gezeigt, die die Vielzahl der Windungen 220 zeigt, die aus einem Draht mit einem Durchmesser C von 0,022 inch, mit einer Windungshöhe D von 0,411 cm (0,162 inch), einer Ganghöhe E von 0,117 cm (0,046 inch), einem vorderen Winkel F von 30º und einem hinteren Winkel G von 14º gebildet sind. Die Breite der Windungen 220, gemessen entlang der Hauptachse 208 (siehe Fig. 18a) beträgt 0,442 cm (0,174 inch). Die Kurve A in Fig. 20 zeigt einen beinahe konstanten Bereich B bis zu einem anfänglichen Anschlagpunkt C, gefolgt von einer nicht-linearen Kurve D zum Anschlagpunkt E (maximale nutzbare Biegung). Wie in Fig. 20 gezeigt, liegt die Arbeitsbiegung oder der konstante Belastungsbereich zwischen 5% und 35% mit einer gesamten nutzbaren Biegung von zwischen 0% und 50%. Der Bereich F unter dem Kurvenabschnitt E von dem anfänglichen Anschlagspunkt C zum Anschlagspunkt bei der maximalen nutzbaren Biegung E stellt den Überbelastungs-Kapazitätsbereich des Isolators dar, welcher einen Überbelastungs-Schutzfaktor von bis zu 7,3 hat.
Die Kraft- oder Belastung/Biegungs-Kurve für den Isolator 200 bei einer Belastung entlang der Nebenachse, wie in den Figuren 3a und 3c gezeigt, ist in Fig. 21 gezeigt. Die entsprechenden Abschnitte der in Fig. 21 gezeigten Kurve sind gemäß den entsprechenden Abschnitten der in Fig. 20 gezeigten Kurve gekennzeichnet. Entgegen der Erwartung weist der Isolator einen größeren Überbelastungsschutz auf, wenn er entlang der Nebenachse belastet ist, wie durch den Bereich F unter dem Kurvenabschnitt D gezeigt ist, sowie einen Überbelastungs-Schutzfaktor von 11,9. Dies ist eine wichtige Überlegung, da sich für eine Feder derselben Größe eine höhere Energie-Speicherkapazität ergeben kann.
Fig. 23 zeigt die Belastung/Biegungs-Kurve für den Isolator 200, wenn er axial durch den Keil 212 in der Nut 202, wie in Fig. 19b gezeigt, komprimiert wird. Dementsprechend wird der Isolator 200 im allgemeinen entlang der Nebenachse belastet. Entsprechende Abschnitte der Kurve in Fig. 23 entsprechen ähnlichen Abschnitten der in Figuren 20 und 21 gezeigten Abschnitte mit einem Überbelastungs-Schutzfaktor von 3,6.
Zum Vergleich mit Federn der Art von Schraubenfedern, wurde eine Schraubenfeder 240, wie in Fig. 24 gezeigt, konstruiert mit derselben Drahtgröße C von 0,056 cm (0,022 inch), Außendurchmesser D von 0,041 (0,0162 inch), Ganghöhe E von 0,117 (0,046 inch). Fig. 25 zeigt als Kurve A eine Kraft/Biegungs- Kurve für die Schraubenfeder 240 zusammen mit der entsprechenden mit Kurve B dargestellten Belastung/Biegungs-Kurve für den nicht von einer Nut gestützten Isolator 200. Mit Kurve C ist auch die Kraft/Biegungs-Kurve für den Isolator 200 gezeigt, wenn er mit einem Elastomer (hohler Querschnitt), wie in Fig. 12 gezeigt, gefüllt ist. Kurve D in Fig. 25 stellt die Kraft/Biegungskurve für den Isolator 200 dar, der mit dem Elastomer mit einem festen Querschnitt, wie in Fig. 5 gezeigt, gefüllt ist. Die Bereiche unter diesen Kurven E, F, G, H stellen jeweils die Energie-Speicherkapazität für Isolatoren dar.
Tabelle I zeigt den relativen Energie-Absorptionsfaktor zwischen dem Isolator mit schraubenförmigen Windungen und dem Isolator mit gekippten Windungen. Tabelle I Federtyp Bereich unter der Kurve in Fig. 25 Energie-Absorptionsfaktor Schraubenfeder nur gekippte Windungen hohl mit gekippt. Windungen massiv mit gekippt. Wind.
Wie aus Tabelle I ersichtlich ist, sind die Isolatoren mit gekippten Windungen der vorliegenden Erfindung für eine wesentliche höhere Speicherkapazität geeignet, als die bei einem Isolator mit schraubenförmigen Windungen derselben Größe möglich wäre.
Die Effektivität eines beliebigen Isolators wird durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt, wie z.B.: die Energie-Absorptions-Kapazität, die Übertragungsfähigkeit, die natürliche Frequenz des Isolators, das Dämpfungsverhältnis oder Teil des kritischen Dämpfens und der Isolationsfrequenz unter anderen Faktoren.
In Fig. 26 zeigen die Kurven A, B, C, D bzw. E die Übertragungsfähigkeit als eine Funktion des Frequenzverhältnisses und Isolationseffektivität für einen Isolator mit schraubenförmigen Windungen, einen Isolator mit gekippten Windungen, einen hohlen mit Elastomer gefüllten Isolator mit gekippten Windungen, einen massiven mit Elastomer gefüllten Isolator und einen einfachen Elastomer-Isolator.
Zwei Faktoren, die die Isolationseffektivität beeinflussen, sind die natürliche Frequenz und die Dämpfung des Isolators. Die natürliche Frequenz ist die Rate der freien Isolation über eine Zeitspanne hinweg und Dämpfung ist die Eigenschaft, die die Energie in einem dynamischen System dissipiert.
Das Freguenzverhältnis F(f)/F(n), die dem System aufgezwungene Frequenz, geteilt durch die natürliche Frequenz, wird verwendet, um die Isolationseffektivität eines beliebigen Isolationssystems festzustellen. In Fig. 26 zeigt die graphische Darstellung der Isolationseffektivität, daß, wenn das Verhältnis F(f)/F(n) weniger als 2 = 1,414 ist, die Kurven in einem Vergrößerungsbereich sind. Wenn die aufgezwungene Frequenz gleich der natürlichen Frequenz des Isolators ist, d.h. F(f)/F(n), findet die maximale Vergrößerung statt. Bei Verhältnissen von über 1,414 sind die Kurven im Isolationsbereich. Typischerweise haben Isolatoren, die die größte Vergrößerung bei Resonanz aufweisen, die beste Isolationseffektivität, wie durch Kurve A in Fig. 26 gezeigt ist, die den Isolator mit Schraubenfeder darstellt. Im allgemeinen wird jedoch eine geringe Verstärkung bei Resonanz gewünscht, was durch Kurven B, C, D und E dargestellt ist, die Isolatoren mit gekippten Windungen und einfache Elastomer- Isolatoren darstellen.
C/Cc stellt das Dämpfungsverhältnis dar und, wie in Fig. 26 gezeigt, kann man erkennen, daß Isolatoren mit niedrigen C/Cc-Werten eine exzellente Isolationseffektivität bereitstellen, jedoch bei Resonanz eine hohe Übertragungsfähigkeit erzeugen. Dementsprechend bieten Isolatoren mit hohen C/Cc- Werten keine so exzellente Isolationsfrequenz, die Übertragungsfähigkeit bei Resonanz ist jedoch reduziert.
In bezug auf den vorliegenden Vergleich ist ersichtlich, daß ein Isolator mit schraubenförmigen Windungen mit geringem Dämpfungsverhältnis bei Resonanz eine sehr hohe Isolationsfrequenz erzeugt, jedoch auf der anderen Seite ein Isolator mit reinem Elastomer eine niedrige Isolationseffektivität erzeugt.
Der massive, mit Elastomer gefüllte Isolator mit gekippten Windungen hat ein Dämpfungsverhältnis von C/Cc von 0,200, was eine Dämpfungseffektivität von 20% und eine Übertragungsfähigkeit von 2,8 zur Folge hat. Ein Dämpfungsverhältnis eines mit Elastomer gefüllten hohlen Isolators mit gekippten Windungen beträgt 0,1 oder 10% Dämpfungseffektivität, was eine Übertragungsfähigkeit von 5,0 zur Folge hat. Das Dämpfungsverhältnis für den Isolator mit gekippten Windungen ohne Elastomer beträgt C/Cc 0,025, was eine Dämpfungseffektivität von 2,5 und einen Übertragungsfähigkeitsfaktor von 20 zur Folge hat. Somit hat der Isolator mit gekippten Windungen ein Frequenzverhältnis von 8 und eine Isolationsfrequenz von 94,4.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Kapazität des Isolators auf eine gewünschte Übertragungsfähigkeit und Isolationseffektivitäten in Abhängigkeit der Anwendung angepaßt werden kann. Dies war bei früheren Schraubenfedern und massiven Isolatoren mit Elastomer nicht möglich.
Es ist das einzigartige Merkmal der gekippten Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung, daß sie anfänglich kleine Kraft/Biegungs-Kurven aufweisen, wodurch die synergistische Kombination eines Elastomers mit gekippten Windungen möglich ist. Die Kombination eines Elastomers mit einer Schraubenfeder zum Bilden eines Isolators hat keinen Vorteil, da beide sehr hohe lineare bis parabolische Kraft/Biegungs-Charakteristiken aufweisen, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Somit ist es nicht möglich, die Feder mit schraubenförmigen Windungen mit einem Elastomer zu kombinieren und eine geringere Kraftbiegung zu erhalten, als die Schraubenfeder selbst, wohingegen gleichzeitig ein hoher Überbelastungsschutz bereitgestellt wird. Diese Vorteile bieten sich durch die Kombination des Elastomers mit der Feder mit gekippten Windungen.
Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Feststellung der Isolatoreffektivität ist die Fähigkeit eines Isolators, seine Amplitudenverschiebung über eine Zeitspanne hinweg als eine Funktion der Verschiebung des Isolators zu beschränken. Ebenfalls wichtig ist die Zeit, die erforderlich ist, um das Gleichgewicht nach einer anfänglichen Schwingung wiederherzustellen.
Figuren 27, 28 und 29 zeigen die Verschiebung in inch bei Anlegen einer Last von einem Pfund bei den oben erläuterten Isolatoren als eine Funktion der Zeit. In jeder der Figuren stellt die Kurve A den Schraubenfeder-Isolator, Kurve B den Elastomer-Isolator, Kurve C den Isolator mit gekippten Windungen, Kurve D den hohlen Isolator mit gekippten Windungen mit Elastomer und Kurve E den massiven Isolator mit gekippten Windungen mit Elastomer dar. Die Kurven zeigen die unterschiedlichen Prozentsätze der Biegung und wie die Amplitude und das Gleichgewicht durch vorübergehende Stoß-Belastung beeinflußt werden. Biegungsbereiche von 10% bis 50% sind über eine Zeitspanne von 0 bis 0,2 Sekunden gezeigt. Es kann festgestellt werden, daß der Elastomer-Isolator die kleinste Amplitude bei allen Biegungen zeigt, wohingegen der Feder-Isolator mit schraubenförmigen Windungen über eine Zeitspanne hinweg eine höhere Amplitude beibehält als jeglicher andere Isolator mit der geringsten Dämpfung.
Die Feder mit gekippten Windungen hat bei Belastungs-Biegung eine hohe Amplitude, d.h. die Amplitude nimmt mit zunehmender Biegung ab. Der hohle Isolator mit gekippten Windungen mit Elastomer hat bei einer Belastungs-Biegung eine niedrige Amplitude und eine solche Amplitude nimmt mit der Zeit schnell ab und weist eine hohe Dämpung auf. Der massive Elastomer-Isolator mit gekippten Windungen weist eine sehr niedrige Amplitude auf, wobei die Amplitude mit dem Zeitzuwachs sowie mit Zunahme der Biegung wesentlich abnimmt.
Aus den in den Figuren 27-29 gezeigten Kurven ist ersichtlich, daß der hohle Elastomer-Isolator mit gekippten Windungen eine Kombination an hoher Dämpfung bietet, die eine niedrige Amplitude, die mit der Zeit abnimmt, und eine geringe Biegung zur Folge hat, was eine gute nutzbare schwingungsdämpfende Lagervorrichtung bereitstellt. Der hohle Elastomer-Isolator mit gekippten Windungen erzeugt die große Verschiebung mit relativ schneller Wiederherstellung des Gleichgewichts Dementsprechend reduziert der massive Elastomer-Isolator mit gekippten Windungen die Amplitude der Verschiebung und die Zeit zur Wiederherstellung des Gleichgewichts.
Es sollte bemerkt werden, daß, wie bereits dargelegt, das Elastomer mit der Feder mit gekippten Windungen verbunden werden kann, um eine Stütze und Belastung bereitzustellen, die größer sind als bei einem nicht haftenden Elastomer. Die Art, in der das Elastomer verbunden wird, die Schwingungsvariationen und Isolationsvariationen sind natürlich andere Faktoren, die zusammen mit der Härte des verwendeten Elastomers unter anderen Faktoren berücksichtigt werden müssen, um die letztendliche Kombination auszuwählen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht jedoch das spezielle Anfertigen von Isolatoreinrichtungen, die bis jetzt noch nicht erhältlich waren und liefert somit einen bedeutenden Vorteil auf diesem Gebiet.
Obwohl oben eine bestimmte Anordnung der erfindungsgemäßen schwingungsdämpfenden Lagervorrichtung beschrieben wurde, um die Art und Weise, in der die Erfindung vorteilhaft verwendet werden kann, darzustellen, sollte beachtet werden, daß die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist Dementsprechend sollten alle und beliebige Modifikationen, Variationen oder äquivalente Anordnungen, die sich für den Fachmann ergeben, als im Bereich der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert, liegend betrachtet werden.

Claims

1. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung mit einer Trägerstruktur (22), einer Vorrichtung (24) und einem Isolator (26), der zwischen der Trägerstruktur und der Vorrichtung zum Reduzieren der Übertragung von mechanischen Schwingungen zwischen diesen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (26) eine Vielzahl von gekippten Windungen (30) aufweist, die untereinander verbunden sind, um zu bewirken, daß der Isolator (26) eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung ungefähr senkrecht zu einer Mittellinie der Vielzahl von Windungen (30) in Reaktion auf eine Ablenkung der Windungen (30) innerhalb eines bestimmten Bereichs entlang der Belastungsrichtung aufgrund einer mechanischen Schwingung der Trägerstruktur (22) oder der Vorrichtung (24) ausübt, und daß der Isolator (26) eine wesentlich größere Kraft ausübt, wenn die Windungen (30) über den bestimmten Bereich hinaus abgelenkt sind.

2. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die wesentlich größere Kraft bis zu ungefähr 11 mal größer ist als die im allgemeinen konstante Kraft.

3. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Material (54) um die und zwischen der Vielzahl von Windungen (30) angeordnet ist, um einen Isolierwirkungsgrad des Isolators zu modifizieren.

4. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material einen festen Querschnitt hat.

5. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die wesentlich größere Kraft bis zu ungefähr drei mal größer ist als die im allgemeinen konstante Kraft.

6. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material mit der Vielzahl von Windungen verbunden ist.

7. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (54) nicht mit der Vielzahl von Windungen (30) verbunden ist.

8. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (54) einen hohlen Querschnitt hat.

9. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die wesentlich größere Kraft bis zu ungefähr sieben mal größer ist als die im allgemeinen konstante Kraft.

10. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (54) mit der Vielzahl von Windungen (30) verbunden ist.

11. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (54) nicht mit der Vielzahl von Windungen (30) verbunden ist.

12. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 6, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die untereinander verbundenen Windungen (30) zusammengefügt sind, um eine kontinuierliche Feder zu bilden.

13. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jede der untereinander verbundenen Windungen (30) eine elliptische Form hat, und daß die schwingungsdämpfende Lagervorrichtung weiterhin eine Nut (202) aufweist, die in einer der Trägerstrukturen (22) angeordnet ist, und eine Vorrichtung (24), um den Isolator (26) in einer Position zu stützen, in der eine Belastung desselben durch die Trägerstruktur (22) bewirkt wird, und daß die Vorrichtung (24) sich auf einer Hauptachse der Vielzahl von untereinander verbundenen Windungen (30) befindet.

14. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jede der untereinander verbundenen Windungen (30) eine elliptische Form hat, und daß die schwingungsdämpfende Lagervorrichtung weiterhin eine Nut (206) und einen Keil (212) aufweist, um eine Belastung des Isolators (26) entlang einer Nebenachse der Vielzahl von untereinander verbundenen Windungen (30) zu bewirken.

15. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jede der untereinander verbundenen Windungen (30) eine elliptische Form hat, und daß die schwingungsdämpfende Lagervorrichtung weiterhin eine Nut (202), die in einer der Trägerstrukturen (22) angeordnet ist, und eine Vorrichtung (24) aufweist, um den Isolator (26) in einer Position zu stützen, in der eine Belastung desselben durch die Trägerstruktur (22) bewirkt wird, und daß sich die Vorrichtung (24) längs einer Hauptachse der Vielzahl von untereinander verbundenen Windungen (30) befindet.

16. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jede der untereinander verbundenen Windungen (30) eine elliptische Form hat, und daß die schwingungsdämpfende Lagervorrichtung weiterhin eine Nut (206) und einen Keil (212) aufweist, um eine Belastung des Isolators (26) entlang einer Nebenachse der Vielzahl von untereinander verbundenen Windungen (30) zu bewirken.

17. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Feder in der Nut (202) mit einem Wicklungswinkel von ca. 70º angeordnet ist.

18. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (22) ein Zylinder (206) ist.

19. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator 26 zwei Federn (122, 130) mit gekippten Windungen aufweist, von denen jede eine Vielzahl von gekippten Windungen aufweist, wobei eine Feder (130) mit gekippten Windungen innerhalb einer anderen Feder (122) mit gekippten Windungen angeordiiet ist.

20. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 19, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Federn (122, 130) mit gekippten Windungen Windungen aufweisen, die in derselben Richtung entlang einer gemeinsamen Mittellinie gekippt sind.

21. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 19, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Federn (122, 130) mit gekippten Windungen Windungen aufweisen, die in entgegengesetzte Richtungen entlang einer gemeinsamen Mittellinie gekippt sind.

22. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jede der untereinander verbundenen Windungen (30) eine elliptische Form hat, und daß die Vorrichtung weiterhin eine Nut (206) aufweist, um eine Belastung der Windungen entlang einer Hauptachse der Windungen (30) zu bewirken.

23. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jede der untereinander verbundenen Windungen (30) eine elliptische Form hat und die Vorrichtung weiterhin eine Nut (206) aufweist, um eine Belastung der Windungen entlang einer Nebenachse der Windungen (30) zu bewirken.

24. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 22, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Feder in der Nut (206) mit einem Wicklungswinkel von ca. 70º angeordnet ist.

25. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 20, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Feder in der Nut (206) mit einem Wicklungswinkel von ca. 70º angeordnet ist.

26. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung mit einer Trägerstruktur (22), einer Vorrichtung (24) und einer Isolatorfeder (26), wobei die Isolatorfeder zwischen der Trägerstruktur (24) und der Vorrichtung (26) zum Absorbieren mechanischer Schwingungsenergie angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorfeder (26) eine Vielzahl von gekippten Windungen (30) mit einer Dämpfungsrate von etwa 0,025 bei der Resonanzfrequenz der Isolatorfeder (26) umfaßt.

27. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 25, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Material (46, 54) um die und zwischen der Vielzahl von Windungen (30) angeordnet ist, um das Dämpfungsverhältnis zu erhöhen.

28. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 27, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus elastischem Material (46, 54) einen festen Querschnitt hat, und daß das Dämpfungsverhältnis bei der Resonanzfrequenz der Isolator-Federeinrichtung auf ca. 0,2 erhöht ist.

29. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 27, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus elastischem Material (46, 54) einen hohlen Querschnitt aufweist, und daß das Dämpfungsverhältnis bei der Resonanzfrequenz der Isolator-Federeinrichtung auf ca. 0,1 erhöht ist.

30. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung mit einer Trägerstruktur (22), einer Vorrichtung (24) und einem dichtenden Isolator (26), wobei der Isolator (26) zwischen der Trägerstruktur (22) und der Vorrichtung (24) zum Reduzieren einer Übertragung von mechanischen Schwingungen zwischen diesen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (26) so ausgebildet ist, daß er eine Druckdichtung zwischen der Trägerstruktur (22) und der Vorrichtung (24) bereitstellt, wobei der dichtende Isolator (26) eine Vielzahl von gekippten Windungen (30) und ein elastisches Material (46, 54) aufweist, das um die und zwischen der Vielzahl von gekippten Windungen (30) angeordnet ist.

31. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung mit einer Trägerstruktur (22), einer Vorrichtung (24) und einem Isolator (26), wobei der Isolator (26) zwischen der Trägerstruktur (22) und der Vorrichtung (24) zum Absorbieren mechanischer Schwingungsenergie angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (26) eine Vielzahl von gekippten Windungen (30) aufweist, die einen Energieabsorptionsfaktor haben, der ungefähr zwei mal so groß ist wie der Energieabsorptionsfaktor einer Schraubenfeder mit Windungen von im wesentlichen derselben Größe und Drahtdurchmesser wie die Vielzahl von gekippten Windungen.

32. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 31, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Material (46, 54) um die und zwischen der Vielzahl von gekippten Windungen (30) angeordnet ist, um den Energieabsorptionsfaktor zu erhöhen.

33. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 32, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (46, 54) einen festen Querschnitt hat, und daß der Energieabsorptionsfaktor auf etwa 3,5 erhöht ist.

34. Schwingungsdämpfende Lagervorrichtung nach Anspruch 32, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (46, 54) einen hohlen Querschnitt hat, und daß der Energieabsorptionsfaktor auf etwa 2,2 erhöht ist.