-
Gebiet der
Efrindung
-
Die
Erfindung betrifft allgemein Elastomerkompressionsfedern und insbesondere
eine Verbundelastomerfeder zur Aufnahme von Kräften zwischen zwei Massen,
so beispielsweise zwischen zwei Eisenbahnwaggons.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die
Verwendung eines Elastomermaterials bei Kompressionsfedern ist gemeinhin
bekannt. Gemäß der Offenbarung
in dem am 5. April 1980 an den Anmelder der vorliegenden Anmeldung
erteilten US-Patent 4,198,037 und dem am 28. Januar 1986 an den
Anmelder der vorliegenden Anmeldung erteilten US-Patent 4,566,678
ist ein nützliches
thermoplastisches Elastomer ein Kopolyesterpolymerelastomer, wie
es beispielsweise von der Firma E. I. duPont de Nemours & Co. aus Wilmington,
Delaware unter der Handelsbezeichnung HYTREL vertrieben wird. In den
genannten Patenten wird ausgeführt,
dass HYTREL aus drei Bestandteilen besteht, nämlich aus Dimethylterephthalat,
aus Polyglykolen wie beispielweise Polytetramethylenetherglykol,
Polyethylenetherglykol oder Polypropylenetherglykol sowie aus kurzkettigen
Diolen wie beispielsweise Butandiol und Ethylenglykol.
-
Üblicherweise
weist diese Art von Polymerelastomermaterial inhärente physikalische Eigenschaften
auf, die es für
eine Verwendung als Druckfeder beziehungsweise Kompressionsfeder
ungeeignet machen. Gleichwohl beschreiben die vorgenannten Patente
ein Verfahren, durch das das Kopolyesterpolymerelastomermaterial
in ein Kompressionsfedermaterial umgewandelt werden kann. Im Allgemeinen
umfasst das Verfahren das Einwirken einer Kompressionskraft auf
einen Körper
aus dem genannten Material, wobei die Kraft den Körper in
axialer Richtung in einem Ausmaß komprimiert,
das größer als 30%
der ursprünglichen
axialen Länge
ist. Das Patent
US 4,566,678 stellt
auf eine Verbesserung ab, bei der eine Hohlfeder ausgebildet wird,
um die HYTREL zueigenen Eigenschaften mit Blick auf den Druckverformungsrest
beziehungsweise Kompressionsrest zu überwinden. Das Vorsehen eines
zentralen Kernes beziehungsweise einer zentralen Öffnung verbessert,
so hat man herausgefunden, die Eigenschaften der Feder und er weitert
den Anwendungsbereich, in dem eine derartige Feder verwendet werden
kann. Durch Variieren der Form und Größe des Hohlkernes können Elastomerfedern
mit verschiedenen Federraten hergestellt werden, die auf Belastungen
und Biegungen abgestimmt sind, die bei bestimmten Federanwendungen
auftreten.
-
Ungeachtet
der genannten Verbesserungen besteht weiterhin die Notwendigkeit
der Verbesserung der Eigenschaften von Elastomerkompressionsfedern
durch Verbesserung von deren Energieabsorption bei gleichzeitiger
Aufrechterhaltung erwünschter
funktioneller Eigenschaften hiervon. Üblicherweise weisen Elastomerfedern
Weg-Biegungs-Kurven
auf, die in Abhängigkeit
von dem Material und der Ausgestaltung der Feder variieren. Im Zusammenhang
mit der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff „steif' jene Abschnitte
der Kraft-Biegungs-Kurve, die eine vergleichsweise steile Steigung
nach oben aufweisen, womit eine vergleichsweise hohe Federrate einhergeht.
Unabhängig
davon, ob die Kurve mit konstanter oder im Allgemeinen ansteigender
Rate ansteigt, ist eine derartige Steigung für einen progressiv zunehmenden
Widerstand gegenüber
einer Kompressionsverformung kennzeichnend. Der Begriff „weich" bezeichnet hingegen
diejenigen Abschnitte der Kraft-Biegungs-Kurve, die eine vergleichsweise
gemäßigte Steigung aufweisen,
und ist für
eine im Vergleich niedrigere Federrate kennzeichnend, und zwar unabhängig davon,
ob die Steigung konstant, zunehmend oder abnehmend ist.
-
Die
Druckschrift US-A-4,566,678 offenbart ein Verfahren zur Herstellung
von Hohlkörpern,
die dadurch gebildet werden, dass ein Block aus thermoplastischem
Elastomermaterial mit vorbestimmter anfänglicher axialer Höhe hergestellt
wird, und der Block mit einer vorbestimmten axialen Kernöffnung versehen
wird. Auf den Block wirkt eine axiale Kraft ein, die ausreichend
ist, um den Block in merklichem Ausmaß zu komprimieren, damit die
freie Höhe
des Blockes verringert wird, und damit die Kernöffnung quer nach außen erweitert
wird, wodurch Seitenwände
für den
Hohlkörper
festgelegt werden. Die axiale Kraft wird sodann abgestellt, woraufhin
der Hohlkörper
für eine
Verwendung als Kompressionsfeder oder als andere nutzbringende Vorrichtung
präpariert
wird. Die Druckschrift US-A-4,566,768 offenbart die Merkmale des
Oberbegriffes der beigefügten
unabhängigen
Ansprüche.
-
Die
Druckschrift US-A-4,673,314 offenbart einen Knickfender mit einem
zylindrischen Körper, der
aus wenigstens zwei gummiartigen elastischen Materialien gussgeformt
ist, die sich bezüglich
ihres Elastizitätsmoduls
unterscheiden. Die Druckschrift US-A- 4,673,314 offenbart die Merkmale des
Oberbegriffes von Anspruch 17 der beigefügten Ansprüche.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Eingedenk
des Vorgesagten und entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundelastomerfeder vorgesehen,
die eine größere Energieabsorption
bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung erwünschter funktioneller Eigenschaften
aufweist. Die Feder besteht aus einem ersten Element eines Elastomermaterials
mit einer ersten Durometerhärte
und einem zweiten Element eines Elastomermaterials mit einer von
der Durometerhärte
des ersten Elementes verschiedenen zweiten Durometerhärte. Das
zweite Element weist eine vorbestimmte anfängliche Form auf, die zu dem
ersten Element komplementär
ist. Das zweite Element wird angrenzend an das erste Element in
Umgebendbeziehung um das erste Element herum angeordnet. Anschließend wirkt
auf das Vorformlingsverbundfederelement eine Kraft ein, die ausreichend
ist, um das erste Element und das zweite Element gleichzeitig zu
komprimieren, wodurch die Form des ersten Elementes und des zweiten
Elementes derart verändert
werden, dass die Gestalt des ersten Elementes und des zweiten Elementes
im Vergleich zu ihren jeweiligen vorbestimmten Anfangsformen dauerhaft
verändert
ist. Die auf das erste Element und das zweite Element einwirkende
Kraft wird anschließend
abgestellt.
-
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist das erste Element vor der Kompression ein zylindrischer
innerer Block, während
das zweite Element als ringförmige äußere Schicht
ausgestaltet ist, die mittels eines Gussformungsvorganges auf den
inneren Block auflaminiert ist. Vorzugsweise umgibt die äußere Schicht
die radiale Oberfläche
des inneren Blockes vollständig
und weist eine Dicke auf, die zwischen ungefähr 5% und 35% des Außendurchmessers
des Vorformlingsverbundfederelementes liegt. Vorzugsweise sind der
innere Block und die äußere Schicht
zudem beide aus Kopolyesterpolymerelastomermaterial. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Durometerhärte
des inneren Blockes kleiner als die Durometerhärte der äußeren Schicht. Daher weist
der innere Block bei Einwirken einer Kraft hierauf eine größere Rückfederungsneigung
als die steifere äußere Schicht
auf.
-
Vorzugsweise
weist der innere Block eine anfängliche
zylindrische Kernöffnung
auf, die sich axial durch ihn hindurch erstreckt. Bei Einwirken
der axialen Anfangskraft erweitert sich die Gestalt der anfänglichen
Kernöffnung
dauerhaft quer nach außen, wodurch
ein Kompressionsfederelement bereitsteht.
-
Die
vorliegende Erfindung zeigt unerwartete Ergebnisse und bringt merkliche
Vorteile gegenüber anderen
Elastomerfedern mit sich. Die äußere Schicht
aus Elastomermaterial mit einer im Vergleich zu dem inneren Block
anderen Durometerhärte
ermöglicht
eine größere Energieabsorption
und setzt sich gleichzeitig einem übermäßigen Rückprall entgegen, wodurch erwünschte funktionelle
Eigenschaften erhalten bleiben.
-
Entsprechend
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung einer Verbundelastomerfeder vorgesehen, umfassend
das Bereitstellen eines ersten länglichen
Elementes aus Elastomermaterial mit einer ersten Durometerhärte, wobei
das erste Element eine eine axiale Länge einschließende vorgegebene
Anfangsform aufweist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
das erste längliche
Element ein Verhältnis
zwischen der plastischen Verformung und der elastischen Verformung
aufweist, das größer als
1,5 zu 1 ist; dass ein zweites längliches
rohrförmiges
Element aus Elastomermaterial mit einer von der ersten Durometerhärte verschiedenen
zweiten Durometerhärte bereitgestellt
wird, wobei das zweite Element ein Verhältnis zwischen der plastischen
Verformung und der elastischen Verformung aufweist, das größer als
1,5 zu 1 ist, wobei das zweite Element eine eine axiale Länge einschließende vorgegebene
Anfangsform aufweist, die zu dem ersten Element komplementär ist, und
dafür ausgelegt
ist, in Umgebendbeziehung um das erste Element herum angeordnet
zu werden; dass zweite Element angrenzend an das erste Element in
der Umgebendbeziehung angeordnet wird, um ein Vorformlingsverbundfederelement
festzulegen; dass eine auf das Vorformlingsverbundfederelement wirkende
Kraft angestellt wird, die ausreichend ist, um das erste Element
und das zweite Element derart gleichzeitig zu stauchen, dass die
jeweiligen Anfangsformen des ersten Elementes und des zweiten Elementes
dauerhaft geändert
werden; und dass die auf das Vorformlingsverbundfederelement wirkende
Kraft abgestellt wird.
-
Entsprechend
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Verbundelastomerfeder mit
einer Endform vorgesehen, umfassend ein erstes längliches Element aus Elastomermaterial
mit einer ersten Durometerhärte
und einer ersten Federrate sowie ein zweites längliches Element aus Elastomermaterial,
das angrenzend an eine Seitenfläche
des ersten Elementes und in Umfangsumgebendbeziehung relativ zu
dieser angeordnet ist, wobei das zweite Element eine zweite Durometerhärte mit
einer zweiten Federrate aufweist, und sich die zweite Durometerhärte von
der ersten Durometerhärte
unterscheidet. Die Verbundelastomerfeder zeichnet sich dadurch aus,
dass das erste längliche
Element ein Verhältnis
zwischen der plastischen Verformung und der elastischen Verformung
aufweist, das größer als 1,5
zu 1 ist, wobei das erste Element eine in wenigstens einer Richtung
orientierte molekulare Struktur aufweist, wobei das zweite Element
des Weiteren ein Verhältnis
zwischen der plastischen Verformung und der elastischen Verformung,
das größer als
1,5 zu 1 ist, sowie eine in wenigstens einer Richtung orientiere
molekulare Struktur aufweist; wobei die Endform der Verbundelastomerfeder
eine dritte Federrate innehat, die bei der Verwendung der Verbundelastomerfeder
im Stauchmodus oder im Streckmodus als Ergebnis der relativ zueinander
gegebenen Beziehung des ersten Elementes und des zweiten Elementes
wirkt, wobei sich die dritte Federrate sowohl von der ersten Federrate
wie auch von der zweiten Federrate unterscheidet.
-
Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen.
-
Die
Verbundelastomerfeder der vorliegenden Erfindung kann bei zahlreichen
Anwendungen, bei denen die Absorption von Energie eine Rolle spielt,
von Nutzen sein. So kann die Verbundelastomerfeder beispielsweise
in Zugkupplungen eingebaut sein, die bei Eisenbahnwaggons zur Absorption von
Stößen während des
Kuppelns oder zur Absorption anderer einwirkender physikalischer
Kräfte,
die gegebenenfalls zwischen Eisenbahnwaggons auftreten, verwendet
werden. Die Feder kann zudem in Lagereinheiten zur Verwendung in
einem gelenkigen Eisenbahnwaggon oder als Kombination von Federn mit
den Reibungsschuhen in einem Federungs-/Stoßdämpfersystem für Eisenbahnwaggons verwendet
werden. Die Feder kann darüber
hinaus zu Zwecken ausgestaltet und verwendet werden, die über diejenigen
industrieller Kompressionsfedern hinausgehen, so beispielsweise
als Isolation und Vibrationsdämpfer,
wie sie in Motormontageanwendungen Verwendung finden. Die Feder
ist schließlich auch
als Energieabsorptionsdämpfer
oder Kissen in der Automobilindustrie oder auf anderen Gebieten von
Nutzen.
-
Die
vorliegende Erfindung nebst weiterer Ziele und Vorteile hiervon
erschließt
sich am besten bei Betrachtung der nachfolgenden Detailbeschreibung
in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnung
-
1 ist
eine strukturelle Vorderansicht eines zylindrischen inneren Blockes
aus Kopolymerpolyesterelastomermaterial, wobei der innere Block
zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Verbundelastomerteder verwendet
werden kann.
-
2 ist
eine strukturelle Frontquerschnittsansicht einer Vorformlingsverbundfeder
vor dem Einwirken einer axialen Kompressionskraft, wobei ein zentraler
axialer Kern in dem inneren Block und eine in dem inneren Block
gussgeformte ringförmige äußere Schicht
aus Elastomermaterial gezeigt sind.
-
3 ist
eine strukturelle Frontquerschnittsansicht der Verbundfeder von 2 während des Vorganges,
bei dem eine axiale Kompressionskraft auf die Verbundfeder einwirkt.
-
4 ist
eine strukturelle Frontquerschnittsansicht der Verbundfeder von 3 nach
Abstellen der auf die Verbundfeder einwirkenden axialen Kompressionskraft.
-
5 ist
ein Kraft-Weg-Diagramm, das die Ergebnisse statischer Tests an einer
ersten Elastomerfeder mit einer ersten Durometerhärte, an
einer zweiten Feder mit einer zweiten Durometerhärte und an einer erfindungsgemäß hergestellten
sowie die erste Durometerhärte
und die zweite Durometerhärte aufweisenden
Verbundfeder darstellt.
-
6 ist
ein Kraft-Weg-Diagramm, das die Ergebnisse dynamischer Belastungen
an den Federn von 5 zeigt.
-
7 bis 10 sind
Kraft-Weg-Diagramme einzelner Bauteile der Federanordnungen von 1 bis 4.
-
12 ist
eine strukturelle Teilquerschnittsansicht einer Reihe von Verbundfedern,
die mittels Zwischenplatten untereinander verbunden und für die Verwendung
in einem Federungssystem oder einer ähnlichen Anwendung vorgesehen
sind.
-
13 ist
eine Teilquerschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung, die ohne zentrale Öffnung gezeigt ist.
-
14 ist
eine strukturelle Frontquerschnittsansicht eines weiteren alternativen
Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung, wobei eine Vorformlingsverbundfeder
vor dem Einwirken einer axialen Kompressionskraft gezeigt ist, und
wobei ein zentraler axialer Kern in dem inneren Block und mehrere in
dem inneren Block gussgeformte äußere Schichten
aus Elastomermaterial dargestellt sind.
-
15 ist
eine strukturelle Querschnittsansicht der Verbundfeder von 14 in
deren anfänglicher
Anordnung in einer Kompressionsvorrichtung.
-
16 ist
eine strukturelle Frontquerschnittsansicht der Verbundfeder von 14 während des Vorganges,
bei dem eine axiale Kompressionskraft auf die Verbundfeder einwirkt.
-
17 ist
eine strukturelle Teilquerschnittsansicht einer Reihe von Verbundfedern,
die nach Abstellen der axialen Kompressionskraft dargestellt sind,
die mittels gussgeformter Flansche untereinander verbunden und für ein Federungssystem
oder eine ähnliche
Anwendung vorgesehen sind.
-
18 ist
eine strukturelle Frontquerschnittsansicht eines weiteren alternativen
Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung, wobei eine Vorformlingsverbundfeder
vor Einwirken einer axialen Kompressionskraft gezeigt ist, und wobei
ein zentraler axialer Kern in dem inneren Block und eine Mehrzahl
sich von einer äußeren Schicht
radial nach außen
erstreckender Flansche gezeigt sind.
-
19 ist
eine strukturelle Frontquerschnittsansicht eines weiteren alternativen
Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung, wobei eine Vorformlingsverbundfeder
vor Einwirken der axialen Kompressionskraft gezeigt ist, und wobei
ein zentraler axialer Kern in dem inneren Block und eine Mehrzahl
sich von einer äußeren Schicht
radial nach außen
erstreckender Entlastungskerben gezeigt sind.
-
Detailbeschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispieles
beziehungsweise der bevorzugten Ausführungsbeispiele
-
Eingedenk
dessen, dass die vorliegende Erfindung durch verschiedene Ausführungsbeispiele verwirklicht
werden kann, sind in der Zeichnung sowie in der nachstehenden Beschreibung
bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter der Maßgabe
darge stellt, dass die vorliegende Offenbarung als Niederlegung beispielhafter
Umsetzungen der Erfindung betrachtet werden soll, die keinerlei
Beschränkung
der Erfindung auf das jeweils dargestellte Ausführungsbeispiel beinhalten.
-
In
der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen
Ansichten jeweils gleiche Bestandteile. In 1 ist ein
innerer Block 10 aus Elastomermaterial gezeigt. Der Block 10 ist
vorzugsweise zylindrisch und weist eine zentrale Kernöffnung 12 auf,
die sich axial hierdurch von einer oberen Endwand 14 zu
einer unteren Endwand 16 erstreckt. Der Block 10 besteht
aus einem Elastomermaterial mit Zugfestigkeitseigenschaft dergestalt, dass
das Verhältnis
zwischen der plastischen Verformung und der elastischen Verformung
größer als
1,5 zu 1 ist. Ein derartiges Elastomer ist das Kopolyesterpolymerelastomer,
das von der Firma E. I. duPont de Nemours unter der Handelsbezeichnung
HYTREL hergestellt und vertrieben wird. Dieses Elastomer ist vergleichsweise
träge und
haltbar, und es ist sogar bei Herstellung vergleichsweise dünner Querschnitte nicht
reiß-
oder bruchanfällig.
Vorzugsweise besteht der innere Block 10 aus der 55556er
HYTREL-Verbindung der Firma duPont, da diese Verbindung vergleichsweise
weich ist, um einen Widerstand gegenüber einem anfänglichen
Druckverformungsrest beziehungsweise Kompressionsrest bereitzustellen, wodurch
die elastischen Eigenschaften im Einsatz verbessert werden. Üblicherweise
wird das ausgewählte
Elastomer in Pelletform erworben und in eine Gussform gespritzt
oder extrudiert, aus der der innere Block 10 gebildet wird.
Verschiedene Kunststoffgussformungstechniken, so beispielsweise
Schmelzgießen,
Spritzgießen,
Drehgießen
und dergleichen mehr, können
bei der Herstellung des inneren Blockes 10 zum Einsatz
kommen. Die zentrale Kernöffnung 12 kann
zudem als Teil eines Gussformungsvorganges geformt werden. Alternativ
kann eine zentrale Kernöffnung 12 durch
einen festen Block 10 gebohrt werden. Wie in 1 dargestellt
ist, weist der innere Block 10 eine äußere seitliche oder radiale Oberfläche 18 und
eine anfängliche
axiale Länge
auf, die als Abstand zwischen der oberen Endwand 14 und
der unteren Endwand 16 festgelegt ist.
-
Der
nächste
Schritt des genannten Verfahrens besteht in der Aushärtung des
inneren Blockes 10. Die Aushärtzeit kann für bestimmte
Anwendungen bis zu etwa 180 Stunden betragen. Nach Durchführung des
Aushärtens
für eine
gewünschte
Zeitspanne wird der innere Block 10 in eine (nicht gezeigte)
Gussform verbracht, woraufhin eine ringförmige Hülse 20 aus einem Elastomermaterial
um die äußere radiale
Oberfläche 18 des
inneren Blockes 10 herum gussgeformt wird. Vorzugsweise
umgibt die Hülse 20 die
radiale Oberfläche 18 des
inneren Blocks 10 vollständig und weist eine anfängliche
axiale Länge auf,
die im Wesentlichen dieselbe wie die anfängliche axiale Länge des
zylindrischen Blockes 10 ist. Das fertige Erzeugnis ist
ein zylindrisch geformter Verbundvorformling 22, der in 2 dargestellt
ist. Vorzugsweise besteht die Hülse 20 aus
der 7246er HYTREL-Verbindung von duPont, da diese Verbindung vergleichsweise
hart ist, wodurch der Widerstand gegenüber einer Biegung des Verbundvorformlings 22 vergrößert wird.
Entsprechend einem Verfahren kann der Verbundvorformling 22 anschließend in
gewünschtem
Umfang ausgehärtet
werden, um unerwünschte
Restverformungen zu beseitigen, und um die kristalline Struktur
des Materials zu verbessern.
-
Es
ist einsichtig, dass andere geläufige
Herstellungstechniken zum Einsatz kommen können, um die Hülse 20 um
den inneren Block 10 herum anzuordnen. Darüber hinaus
kann die Hülse 20 gegebenenfalls
an dem inneren Block angeklebt oder auf andere Weise gesichert werden.
-
Vorzugsweise
macht die Dicke der Hülse 20 weniger
als 15% des Außendurchmessers
des Verbundvorformlings 22 aus, wobei jedoch, so hat man herausgefunden,
ein Bereich zwischen ungefähr
5% und 35% für
zufriedenstellende Ergebnisse ebenfalls ausreichend ist. Einem Fachmann
auf dem einschlägigen
Gebiet erschließt
sich, dass die Betriebskennwerte der erfindungsgemäßen Verbundfeder
dadurch variiert werden können,
dass Form und Größe des inneren
Blocks 10, der Kernöffnung 12 und
der ringförmigen
Hülse 20 verändert werden.
Wünscht
man beispielsweise eine weichere Feder mit einer höheren Federbiegungsrate
pro Belastungseinheit, so kann beispielsweise die Größe der Kernöffnung 12 vergrößert werden,
oder es kann die Dicke der Hülse 20 verringert
werden, oder es kann beides vorgenommen werden. Die Form des Verbundvorformlings 22 kann
ebenfalls variiert werden, damit sie zu bestimmten Anwendungen passt.
Der Verbundvorformling 22 kann beispielsweise einen zylindrischen,
ovalen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Querformen des inneren Blocks 10, der Kernöffnung 12 und
der äußeren Hülse 20 ähnlich und
koaxial, weshalb die Symmetrie des Verbundvorformlings 22 gewahrt
ist.
-
Der
Verbundvorformling 22 kann jedoch nicht als Kompressionsfeder
verwendet werden, bevor nicht weitere Herstellungsschritte durchgeführt worden
sind. Dies ist vornehmlich der Tatsache geschuldet, dass HYTREL
und ähnliche
Elastomere bei einer anfänglichen
Kompression von mehr als 20% einen Kompressionsrest aufweisen und
deshalb nicht wieder ihre ursprüngliche
Länge annehmen. Die
Kompressionskennwerte des Elastomers können durch eine anfängliche
Kompression über
etwa 30% hinaus überwunden werden.
Jenseits dieses Kompressionsgrades tritt eine Orientierung der Molekülstruktur
auf.
-
Bei
der Herstellung der vorliegenden Erfindung wird, wie in 2 gezeigt
ist, der Verbundvorformling 22 derart hergestellt, dass
er eine vorbestimmte Gussformungshöhe MH aufweist. Der Verbundvorformling 22 mit
der vorbestimmten Gussformungshöhe
MH wird anschließend
in eine geeignete Kompressionsvorrichtung, so beispielsweise eine Presse 44 (15 und 16),
eingelegt, in der er um wenigstens 30% seiner axialen Länge auf
eine Festhöhe
SH, siehe 3, komprimiert wird. Es ist einsichtig,
dass der Umfang der auf den Vorformling einwirkenden Kompression
von der Endanwendung der Feder abhängt. Wird die nach unten wirkende Kraft
der Presse 44 abgestellt, so steht eine Verbundkompressionsfeder 26 bereit,
die wieder eine freie oder installierte Höhe FH, wie in 4 dargestellt, annimmt
beziehungsweise sich zu dieser zurückbegibt. Augenscheinlich ist
die freie Höhe
FH der Kompressionsfeder 26 von der vorgegebenen Gussformungshöhe MH des
Verbundvorformlings verschieden. Wie dargestellt ist, wurde der
zylindrische Verbundvorformling 22 in einen kreisförmigen oder
torischen Abschnitt 28 rückgeformt. Nach dem Bildungsschritt
und der teilweisen Rückformung
ist die sich ergebende Kompressionsfeder 26 vergleichsweise
frei von Kompressionsrestproblemen und nimmt bei nachfolgenden Kompressionen
(Weg) im Allgemeinen wieder die in 4 dargestellte
freie Höhe
FH an.
-
Die
jeweiligen Federeigenschaften der vorliegenden Erfindung sind das
Ergebnis der Ausgestaltung der Elemente, die den Verbundvorformling bilden,
wie auch der gegenseitigen Abstimmung der verschiedenen (Durometer-)Härten der
eingesetzten Elastomere. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weist, wie im Stand der Technik bekannt ist, der weiche innere Block 10 die
Neigung auf, bei einer Kompression keine Energie aufzunehmen und
keine elastische Rückbewegung
auszuführen.
Während die
steife äußere Hülse 20 bei
einer Kompression ebenfalls einen Widerstand gegenüber der
Energie zeigt, führt
sie eine erheblich geringere elastische Rückbewegung als der innere Block 10 aus.
Dies bedeutet, dass bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die steife äußere Hülse 20 dazu
neigt, bei Abstellen der äußeren Kraft
den Rückfederungseigenschaften
des inneren Blockes zu widerstehen.
-
Diese
Eigenschaften sind in den Kraft-Biegungs-Kurven von 5 und 6 dargestellt.
Die Vertikalachsen, an denen die Kurven aufgetragen sind, stellen
die auf die Feder einwirkende axiale Kraft in kN (1000 pounds) dar.
Die Horizontalachsen stellen die aus der einwirkenden Kraft folgende
axiale Versetzung der Feder in cm (Inch) dar. Wie in 5 gezeigt
ist, stellen die drei Kraft-Biequngs-Kurven die Eigenschaften der
drei Federn S1, S2 und S3 bei statischer Belastung nach dem zweiten
Schließen
dar, wobei jede Feder eine andere Kraft-Weg-Kurve aufweist. Bei
jedem Beispiel bestehen die Federn S1, S2 und S3 aus einem Block
eines Kopolyesterpolymerelastomermaterials mit einem Außendurchmesser
von etwa 14,73 cm (5,80 Inch). Jede der Federn S1, S2 und S3 weist
in diesem Beispiel zudem einen Hohlkern auf, der einen Innendurchmesser
von etwa 6,35 cm (2,50 Inch) aufweist. Die Schritte zur Bildung
der drei Federn waren in diesem Beispiel dieselben. Dies bedeutet,
dass man bei allen drei Federn S1, S2 und S3 von einer Gussformungshöhe MH von
13,89 cm (5,47 Inch) ausging. Die Federn wurden anschließend auf
eine feste Höhe
SA von 5,64 cm (2,22 Inch) komprimiert. Bei dieser speziellen Anwendung
wird die Feder, so beispielsweise die Feder S1, nicht auf eine Höhe komprimiert,
die geringer als 5,64 cm (2,22 Inch) ist. Aus diesem Grunde wurde
während der
Herstellung jeder Vorformling auf die gleiche Weise komprimiert,
jedoch nur so weit, dass sich eine für die jeweilige Anwendung geeignete
Feder ergab.
-
Die
Leistungseigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Verbundfeder
S1 sind in 5 gezeigt. Die Verbundfeder
S1 weist einen inneren Block aus einem 5556er Durometerelastomermaterial,
siehe oben, und eine äußere Hülse aus
dem vorgenannten 7246er Durometerelastomermaterial auf. Die Wanddicke
der Hülse
liegt bei ungefähr
19,36 cm (0,76 Inch).
-
Auf ähnliche
Weise sind die Leistungseigenschaften der „weichen" Feder S2 mit im Vergleich zu der Feder
S1 identischen Abmessungen in 5 dargestellt,
wobei diese Feder jedoch lediglich aus dem vorgenannten 5556er Durometermaterial
besteht.
-
Die
Leistungseigenschaften der dritten Feder S3, die die Eigenschaften
einer „harten" Feder verkörpert, sind
ebenfalls in 5 schematisch dargestellt. Die
Feder S3 weist zu S1 und S2 identische Abmessungen auf, ist jedoch
nur aus dem vorgenannten 7246er Durometermaterial geformt.
-
Zur
Vertiefung des Verständnisses
der Information von 5 sollte beachtet werden, dass
ungeachtet der Tatsache, dass alle drei Federn S1, S2 und S3 von
derselben Gussformungshöhe
MH (das heißt mit
denselben Abmessungen des Vorformlings) ausgehen und auf dieselbe
Festhöhe
SA komprimiert werden, die freie Höhe FH einer jeden Feder verschieden
ist. Bei dem dargestellten Beispiel weist die Feder S3 eine freie
Höhe FH
von ungefähr
8,30 cm (3,27 Inch) auf, während
die Feder S2 eine freie Höhe
FH von ungefähr
10,29 cm (4,05 Inch) aufweist. Dies ist zu erwarten, da weichere
Elastomere im Vergleich zu harten Elastomeren näher zu ihrer ursprünglichen
Gussformungshöhe
zurückkehren.
Die Feder S1 weist eine freie Höhe
FH auf ungefähr 11,48
cm (4,52 Inch) auf.
-
Ein
Kennwert von Kompressionsfedern ist die Effektivfederwirkung. Dieses
Wert kann gemessen werden, indem der verfügbare Weg durch die vorbestimmte
Festhöhe
SH der Elastomerfeder geteilt wird. Die Verbundfeder S1, die entsprechend
der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt worden
ist, zeigt überraschende
Ergebnisse. Im Vergleich zu den festen Elastomerfedern S2 und S3
weist, wie in 11 dargestellt ist,
die der Verbundfeder 1 zugeordnete Kurve die beste Leistung auf,
da der mit Blick auf das „zweite
Schließen" verfügbare Weg
etwa dem Doppelten des mit Blick auf das „zweite Schließen" verfügbaren Weges
der harten Feder S3 entspricht und dem zweiten Schließen der
weichen Feder S2 ähnlich
ist. Wie in 5 gezeigt ist, weist die Feder
S1 einen verfügbaren
Weg von 5,84 cm (2,30 Inch) auf, weshalb diese Feder den Erwartungen
mehr entspricht, als man es aus einer Analyse der Eigenschaften
der Feder S2 (verfügbarer
Weg von 4,64 cm (1,83 Inch)) und S3 (verfügbarer Weg von 2,67 cm (1,05
Inch)) hätte
voraussagen können.
Daher hat die Verbundfeder eine erheblich größere „Effektivfederwirkung", was die Absorption
erleichtert, ohne dass sich dies negativ auf den verfügbaren Weg
auswirken würde.
-
Ein
weiterer Messkennwert im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
ist die Absorption, das heißt
diejenige Energiemenge, die von der Feder gehalten und bei Federentlastung
nicht als elastische Energie zurückgegeben
wird. Diese wird, wie in 6 dargestellt ist, als Wa/We dargestellt,
wobei We die zur Kompression der Feder notwendige Energie
darstellt, während
Wr (in dieser Beschreibung nicht verwendet)
die von der Feder während
der Entlastung zurückgegebene
Energie darstellt. In einem typischen Kompressionsentlastungsdiagramm entspricht „We" der
Fläche
zwischen der oberen Kurve und der x-Achse. „Wr' entspricht der Fläche unterhalb
der unteren (Rückkehr)Kurve
und der x-Achse. „Wa" ist
die Fläche
zwischen den vorgenannten beiden Kurven (We – Wr).
-
Die
drei Kraft-Biegungs-Kurven D1, D2 und D3 stellen, wie in 6 gezeigt
ist, dieselben drei Federn S1, S2 beziehungsweise S3 dar, wie sie,
siehe 5, bei einem dynamischen Zyklustest im kritischen
Betriebsbereich von 8,9 kN bis 44,49 kN (2000 Ibs bis 10000 Ibs)
getestet worden sind. Wie dargestellt ist, weist die Kurve D1 die
höchste
Energieabsorption (Wa/We)
auf, da die Fläche
innerhalb der Kurven am größten ist. Überraschenderweise
liegt der Wert von „Wa/We" (D1) nicht zwischen
den Werten von D2 und D3, sondern weist einen Wert auf, der beträchtlich
größer als
D2 und D3 ist. Aus diesem Grunde bewirkt die Verbundfeder der vorliegenden Erfindung
eine Energieabsorption auf höherem
Niveau, wobei dies mit der Aufrechterhaltung der gewünschten
Kraft-Weg-Leistungsanforderungen verträglich ist. Daher bringt die
Ausgestaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung ein vorzügliches
Erzeugnis für
Federungs- und Stoßfängeranwendungen
mit sich.
-
7 bis 11 sind Kraft-Weg-Kurven einzelner Bauteile
der Verbundfeder von 4. Insbesondere wurden mehrere
Verbundfedern, ähnlich
der Kompressionsfeder 26 von 4, mit denselben Spezifikationen,
das heißt
der Gussformungshöhe MH
und der Festhöhe
FH, wie vorstehend beschrieben, hergestellt.
-
7 zeigt
das Kraft-Weg-Diagramm einer Feder, die ähnlich der Feder S1 der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist, bei der jedoch das 5556er Durometermaterial
in der Mitte (das heißt
der innere Block 10 in 4) gänzlich entfernt
wurde, nachdem die Feder S1 hergestellt worden ist. Dies bedeutet, dass
die Kraft-Weg-Kurve von 7 Leistungskennwerte nur des
Hülsenabschnittes 20 zeigt,
der aus dem vorgenannten 7246er Durometerelastomermaterial gebildet
ist.
-
8 zeigt
die Kraft-Weg-Kurve einer Hülse 20 aus
dem 7246er Durometermaterial mit denselben Abmessungen wie in 2,
die unter Anwendung der vorgenannten Spezifikationen hergestellt ist.
Dies bedeutet, dass die Hülse
aus dem 7246er Durometermaterial mit denselben Abmessungen wie vorher
hergestellt, komprimiert und entlastet wurde, wobei die Leistungskennwerte
der Hülse 20 für sich schematisch
in 8 dargestellt sind.
-
9 stellt
die Kraft-Weg-Kurve einer Feder dar, die ähnlich der Feder S1 der vorliegenden
Erfindung gebildet ist, bei der jedoch das gesamte 7246er Durometermaterial
der Hülse
entfernt worden ist. Das bedeutet, 8 stellt
schematisch ein Kraft-Weg-Diagramm
eines für
sich stehenden inneren Blocks dar.
-
10 zeigt
das Kraft-Weg-Diagramm lediglich des inneren Blocks 10 aus
dem 5556er Durometermaterial mit denselben Abmessungen wie in 2,
der für
sich unter An wendung der vorgenannten Spezifikationen hergestellt
worden ist. Dies bedeutet, dass das 5556er Durometermaterial mit
den vorgenannten Abmessungen gebildet, komprimiert und entlastet
worden ist, wobei die Leistungseigenschaften jedes Materials für sich genommen
schematisch in 10 dargestellt sind.
-
12 zeigt
eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Verbundkompressionsfedern,
die mit Montageplatten ausgestattet und aneinander auf herkömmliche
Weise angebracht sind, um eine Kompressionsfederanordnung 30 zu
bilden. Die Federanordnung 30 kann beispielsweise in Puffern
oder Zuggetrieben an Eisenbahnwaggons eingesetzt werden, um Stöße während des
Kuppelns oder andere einwirkende physikalische Kräfte zu absorbieren,
die gegebenenfalls zwischen Eisenbahnwaggons auftreten. Es können entsprechend
der vorliegenden Erfindung verschiedene Arten von Federanordnungen
unter Verwendung anderer Typen von Montageplatten, Flanschen oder
anderen Vorrichtungen zur auf geeignete Weise erfolgenden Verbindung
mehrerer Federn zum Einsatz kommen.
-
Ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 13 gezeigt.
Wie dort dargestellt ist, wird eine Verbundfeder 32 ohne
einen zentralen Kern, wie dieser beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
vorliegt, hergestellt. Da die Feder 32 der vorbeschriebenen
Feder 26 ähnlich
ist, werden ähnliche
Teile in 13 mit denselben Bezugszeichen
wie in 1 bis 4 bezeichnet. Wie bereits bemerkt
wurde, können
Größe und Form
des inneren Blockes 10 und der ringförmigen Hülse 20 in 13 verändert werden,
damit sich die gewünschten
Eigenschaften der Feder 32 ergeben.
-
Ein
weiteres alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 14 gezeigt.
Wie dort dargestellt ist, wird eine Verbundfeder 34 mit
einem zentralen Kern 36 entsprechend dem Ausführungsbeispiel
von 1 bis 3 hergestellt. Die Feder 34 umfasst
mehrere Schichten oder Laminierungen 38 des Elastomermaterials
mit unterschiedlicher Härte.
Es kann eine beliebige Anzahl von Schichten gebildet werden, wobei
zwei oder mehrere Schichten dieselbe Durometerhärte aufweisen. Zudem sind die
Formen jeder Schicht komplementär
und weisen kegelstumpfartig geformte Abschlussendabschnitte 40 auf.
Anstatt dass wie in 12 getrennte Montageplatten
zur Anwendung kommen, weist das Ausführungsbeispiel von 14 Flansche 42 auf,
die sich von gegenüberliegenden Kanten 42 der äußeren Schicht 38 radial
nach außen sowie
zwischen diesen hindurch erstrecken.
-
15 zeigt,
wie die Verbundfeder 34 anfänglich in eine Kompressionsvorrichtung 44 eingelegt
ist, während 16 zeigt,
wie auf die Verbundfeder 34 eine axiale Kompressionskraft
einwirkt. 17 zeigt eine Reihe von Verbundfedern 34, nachdem
die axiale Kompressionskraft abgestellt worden ist, wobei die Verbundfedern 34 mittels
gussgeformter Flansche 42 verbunden sind, damit der Einsatz
in einem Federungssystem oder einer ähnlichen Anwendung erfolgen
kann.
-
18 zeigt
einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei hier auf
ein Verfahren zur Herstellung einer sich symmetrisch wölbenden
Elastomerfeder 50 abgestellt wird. Ein einstückiges zylindrisches
Element 52 aus einem Elastomermaterial wird, vorzugsweise
in einem Gussformungsvorgang, mit einer Mehrzahl beabstandeter Flansche 54 gebildet,
die sich radial hiervon nach außen
erstrecken. Das zylindrische Element 52 weist eine vorbestimmte anfängliche
axiale Länge
auf, die mittels der Flansche 54 in Abschnitte 56 unterteilt
ist. Vorzugsweise sind die Flansche 54 gleichmäßig beabstandet,
sodass jeder Abschnitt 56 eine seitliche Oberfläche 58 mit
einer anfänglichen
Querform aufweist. Sodann wirkt eine axiale Kraft auf das zylindrische
Element 52 ein, um dessen axiale Länge zu komprimieren, wodurch
die Abschnitte 56 veranlasst werden, sich in im Wesentlichen
gleichem Ausmaß gemäß Vorgabe durch
die Flansche 54 nach außen zu wölben. Die auf das zylindrische
Element 52 einwirkende axiale Kraft wird anschließend abgestellt,
sodass sich die Formen der einzelnen Federabschnitte 56 ausgehend
von ihren anfänglichen
Querformen, wie gestrichelt in 13 gezeigt
ist, dauerhaft quer erweitern. Vorzugsweise weist, wie in dem Ausführungsbeispiel von 18 gezeigt
ist, ein inneres Element 60 aus einem Elastomermaterial
eine vorbestimmte anfängliche
Form auf, die zu dem zylindrischen Element 52 komplementär ist, und
ist innerhalb eines Hohlraumes 62 angeordnet, der in dem
zylindrischen Element 52 ausgebildet ist. Das Einwirken
der Kraft veranlasst damit die entsprechenden Abschnitte 56 des inneren
Elementes 60, sich mit den Abschnitten 56 des äußeren zylindrischen
Elementes 52 nach außen zu
wölben.
Und die erwünschten
Kraft-Weg-Eigenschaften, auf die vorstehend in Verbindung mit den vorbeschriebenen
Ausführungsbeispielen
eingegangen wurde, zu erhalten, weist das zylindrische Element 52 eine
erste Durometerhärte
auf, wohingegen das innere Element eine zweite Durometerhärte aufweist.
-
19 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei die Bildung der gleich beabstandeten Entlastungskerben 54 entlang
des Umfanges des zylindrischen Elementes 52 dargestellt ist,
um so die jeweiligen Abschnitte zu veranlassen, sich in Proportionalbeziehung
nach außen
zu wölben.
-
Es
wird mithin eine verbesserte Kompressionsfeder aus einem Verbundelastomermaterial
bereitgestellt, die die Energieabsorption vergrößert, während erwünschte funktionelle Eigenschaften
beibehalten werden. Obwohl die vorliegende Erfindung in Kombination
mit der Anwendung einer hierauf einwirkenden axialen Kompressionskraft
beschrieben worden ist, erschließt sich einem Fachmann auf
dem einschlägigen
Gebiet unmittelbar, dass die technische Lehre der vorliegenden Erfindung
gleichermaßen
dann zur Anwendung kommen kann, wenn andere Kräfte als eine axiale Kompressionskraft
auf die geformte Feder einwirken, so beispielsweise eine radial
gerichtete Kraft, die radial zu der Mittellinie des Verbundvorformlings
hin wirkt. Selbstredend gilt, dass das Vorhandensein einer anderen
Kraft als der axialen Kompressionskraft zur Kompression des Vorformlings
gleichermaßen
im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegen soll.
-
Aus
alledem ergibt sich, dass verschiedenartige Abwandlungen und Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne dass vom Gehalt und Sinn des neuartigen Konzeptes der vorliegenden
Erfindung abgewichen würde.
Es ist einsichtig, dass die vorliegende Offenbarung der Beschreibung
beispielhafter Umsetzungen der Erfindung dient, wobei dies keine Beschränkung der
Erfindung auf die jeweils beschriebenen Ausführungsbeispiele impliziert.
Die Offenbarung soll alle diese Abwandlungen durch die beigefügten Ansprüche als
im Schutzumfang der Ansprüche
enthalten abdecken.