CH669148A5 - Verfahren zum herstellen eines kompressiblen koerpers und anwendung des verfahrens auf die herstellung von druckfedern. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf Anwendungen dieses Verfahrens.

Wie in der US-PS 4 198 037 erörtert, wurden Elastomere auch schon früher viel für die Herstellung der unterschiedlichsten Produkte, darunter auch Federn, benutzt. Bei einem der neueren nutzbringenden thermoplastischen Elastomere handelt es sich um ein Copolyester-Polymer-Elastomer, wie es von der Firma E.I. duPont de Nemours & Co. in Wilmington, Delaware, unter dem Markennamen HYTREL verkauft wird. Wie im vorgenannten Patent erläutert, besteht HYTREL aus drei Bestandteilen, nämlich aus Dime-thyl-Terephthalat, Polyglykolen wie beispielsweise Polyte-tramethylenätherglykol, Polyäthylenätherglykol oder Poly-propylenätherglykol und kurzkettigen Diolen wie Butandiol und Athylenglykol. Dieses Erzeugnis kann für die Formung von Produkten aus thermoplastischen Elastomeren verwendet werden.

Im allgemeinen besitzt diese Art Polymer-Elastomer-Kunststoff von Natur aus physikalische Eigenschaften, die es für die Herstellung von Druckfedern ungeeignet erscheinen lassen. In der US-PS 4 198 037 wird jedoch ein Verfahren zur Behandlung des Copolyester-Polymer-Elastomer-werkstoffes beschrieben, die das Material auch für die Herstellung von Druckfedern geeignet macht. Ganz allgemein gehört zu der Behandlung, mit der das Elastomer in einen für die Druckfederherstellung geeigneten Werkstoff umgewandelt wird, die Anwendung einer Druckkraft auf einen Werkstoffkörper, durch die dieser Körper in axialer Richtung um mehr als 30% seiner vorherigen axialen Länge, gemessen in Druckrichtung, zusammengedrückt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Verfahren zu verbessern und insbesondere auf die Herstellung von Druckfedern anzuwenden, deren Aufbau es erlaubt, dass diesen Druckfedern weitgefächerte Anwendungsmöglichkeiten eröffnet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Patentanspruch 1 sowie die in den Patentansprüchen 12 und 16 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei der Fortsetzung der Versuche und der Weiterentwicklung des in der US-PS 4 198 037 offenbarten Werkstoffs für Druckfedern wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass eine körperliche Veränderung des Elastomerkörpers vor Anwendung der Druckkraft eine spürbare und un5

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erwartete Auswirkung auf die physikalischen Merkmale, die Funktion und die Verwendung des aus diesem Elastomer gefertigten Endprodukts hat. Ganz allgemein wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass das Anordnen eines zentralen Loches in dem Copolyester-Polymer-Elastomerkörper vor der Anwendung einer axialen Druckkraft auf diesen Körper erhebliche positive Auswirkungen auf das daraus hergestellte Produkt hat. Die Nutzbarkeit des so entstehenden Elastomerhohlkörpers als Druckfeder wird noch verbessert durch die Änderung der Federkennlinien des Körpers und die Erweiterung der Einsatzgebiete für solche Federn. Dank der Erfindung lassen sich die physikalischen Eigenschaften des Hohlkörpers leicht variieren, um die bei der jeweiligen Verwendung auftretenden Belastungen aufnehmen zu können und die geforderten Federwege verwirklichen zu können. Mit Hilfe dieser Erfindung können ohne grosse Schwierigkeiten Elastomerfedern mit verschiedenen Federkonstanten hergestellt werden. Erfindungsgemässe Elasto-merhohlkörper besitzen ausserdem Eigenschaften, die sie — abgesehen von der Druckfederherstellung — auch für andere Verwendungszwecke brauchbar werden lassen.

Es wurde festgestellt, dass die Anordnung eines den Elastomerkörper schon vor der Anwendung der Druckkraft mindestens teilweise durchziehenden Loches nicht, wie vielleicht erwartet, zum Einbrechen der Seitenwände dieses Körpers führt, sondern die Seitenwände dieses Körpers und das Loch dehnen sich als Ergebnis der Beaufschlagung des Körpers mit der Druckkraft vielmehr nach aussen in einer Querrichtung aus. Die Seitenwände weisen nach der Stauchung i.w. eine gleichförmige Dicke auf und sind symmetrisch um die axiale Mittellinie des Loches angeordnet. Das Loch wird durch die Stauchung erheblich erweitert und verleiht dem Körper ausgeprägter die Gestalt eines Hohlkörpers. Das Vorhandensein des Loches ändert die physikalischen Eigenschaften des Elastomerkörpers.

Die Funktionsmerkmale des Elastomerkörpers werden durch das Stauchen des Werkstoffs, der mindestens teilweise von dem Loch durchzogen wird, ebenfalls verändert. Wird der Körper als Druckfeder verwendet, so haben sich die Federkennlinien des Hohlkörpers im Vergleich zu einem Massivkörper aus dem gleichen Werkstoff verändert. Die Federkonstante wird ebenso verändert wie der Wert der dynamischen und statischen Energie, den die Feder speichern kann. Die Funktionsmerkmale der erfindungsgemäss hergestellten Elastomerhohlkörper erweitern die Konstruktionsmöglichkeiten, die Anpassungsfähigkeit und den Einsatzbereich als Federn und als Federbaugruppen aus Copolyester-Polymer-Elastomerwerkstoffen.

Ausserdem können die Eigenschaften des erfindungsgemäss hergestellten Elastomerhohlkörpers auf einfache Art variiert werden, indem man die Form und die Grösse des Loches, das im Elastomerkörper vor der Druckbeaufschlagung vorzusehen ist, abwandelt. Wird beispielsweise eine leichtere Feder mit einem grösseren Federweg pro Belastungseinheit gewünscht, so vergrössert man das Loch, um die Stärke der Seitenwände des Hohlkörpers entsprechend zu verringern. Desgleichen kann eine steifere Feder durch das Vorsehen eines kleineren Loches hergestellt werden, wobei die grössere Steifigkeit durch die stärkeren Seitenwände entsteht. Die Form des Elastomerkörpers, sowie die des zentralen Loches können ebenfalls entsprechend den Erfordernissen des jeweiligen Verwendungszwecks variiert werden. So kann der Körper beispielsweise zylindrisch, oval, rechtek-kig oder quadratisch sein. Auch der Querschnitt des Loches kann kreisförmig, oval, rechteckig oder quadratisch sein. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Querschnittformen des Loches und des Körpers einander gleich oder ähnlich und koaxial zueinander angeordnet, so dass die Symmetrie des Körpers erhalten bleibt.

Ferner sind die erfindungsgemässen Hohlkörper im Vergleich zu älteren Herstellverfahren einfacher und kostengünstiger herzustellen. Man braucht keine teuren und schwer zu handhabenden Kerne und keine aufwendige spanabhebende Innenbearbeitung, um ein Loch in einem Federkörper zu erzeugen; erfindungsgemäss ist lediglich die Anordnung eines einfachen Loches im Elastomerkörper vor dessen Stauchung erforderlich und dieses Loch kann man einfach durch vollständiges oder teilweises Durchbohren des Körpers mit einer herkömmlichen Bohrausrüstung erzeugen. Wird der Elastomerkörper in einer Form (z.B. durch Spritzgiessen) hergestellt, kann das zentrale Loch in ihm bereits durch das Formverfahren selbst gebildet werden. Soll der Elastomerkörper vor dem Stauchen eine zylindrische Form haben, so kann ein einfaches Rohrprofil als Form sowohl für den Körper als auch für das Loch darin benutzt werden.

Durch verhältnismässig geringförmige Veränderungen an den für die Herstellung der Hohlkörper benutzten Vorrichtungen kann man deren Gestalt abwandeln. Die für ihre Formgebung eingesetzten Vorrichtungen können beispielsweise dazu benutzt werden, eines oder beide axialen Enden des Hohlkörpers mit einem engeren Bund oder Hals zu versehen, um ihn in gewissen Anwendungen leichter zu montieren und positionieren zu können. Desgleichen können die Vorrichtungen so ausgebildet und angeordnet werden, dass das Loch den Körper nur teilweise durchzieht. An einem axialen Ende des Körpers hat man dann eine für manche Anwendungen wünschenswerte geschlossene Endwand.

Die erfindungsgemäss hergestellten Elastomerhohlkörper können auch für andere Zwecke als für Druckfedern konstruiert und verwendet werden. Sie können beispielsweise als Isolier- und Schwingungsdämpfer, wie man sie für Motorlager benötigt, sinnvoll eingesetzt werden, sowie als Puffer oder Polster zur Energieaufnahme. Die erfindungsgemässen Elastomerhohlkörper lassen sich auch hinreichend axialsymmetrisch herstellen, um als Rollen oder Räder verwendet werden zu können.

Weitere Vorteile und Kennzeichen der Erfindung werden durch eine Beschreibung verschiedener Ausführungsformen besser verständlich, welche in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt sind, in denen

Figur 1 einen Aufriss eines hohlzylindrischen Körpers aus einem Copolymer-Polyester-Elastomerkunststoff darstellt, der zur Herstellung eines erfindungsgemässen Elastomerhohlkörpers verwendet werden kann;

Figur 2 einen Längsschnitt durch den in Fig. 1 gezeigten Elastomerkörper mit einem zentralen, axialen Loch im Zustand vor der Beaufschlagung mit einer axialen Druckkraft dargestellt;

Figur 3 einen Längsschnitt durch den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Elastomerkörper darstellt, der erfindungsgemäss mit einer axialen Druckkraft beaufschlagt ist;

Figur 4 einen Längsschnitt durch einen Güterzug- und Lokomotivpuffer zeigt, in den eine aus einem Stapel erfindungsgemäss hergestellter Elastomerhohlkörper bestehende Druckfederbaugruppe eingebaut ist;

Figur 5 einen Längsschnitt durch einen gegenüber der Fig. 2 abgewandelten hohlzylindrischen Körper zeigt, der an beiden axialen Enden mit einer verjüngten Halspartie versehen ist, wobei der Zustand vor der Beaufschlagung des Körpers mit der Druckkraft gezeigt und der Körper zwischen den Druckelementen positioniert ist;

Figur 6 einen Längsschnitt durch den in Fig. 5 dargestellten Hohlkörper nach seiner Beaufschlagung mit der Druckkraft zeigt;

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Figur 7 eine Motorlagerbaugruppe teils in Ansicht und teils im Schnitt zeigt, bei der ein Paar fluchtender hohler Federkörper verwendet werden, wie sie in den Fig. 5 und 6 dargestellt sind;

Figur 8 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt, in der die Verwendung eines Elastomerhohlkörpers als Rad gezeigt wird;

Figur 9 die Draufsicht auf einen im Querschnitt ovalen Elastomerhohlkörper mit ovalem Loch zeigt;

Figur 10 den entlang der in Fig. 9 durch die Linie 10—10 repräsentierten Hauptachse gelegten Längsschnitt durch den in Fig. 6 gezeigten ovalen Elastomerkörper darstellt, nachdem er erfindungsgemäss der Druckkraft ausgesetzt wurde;

Figur 11 einen Längsschnitt entsprechend Fig. 10 durch einen druckbeaufschlagten ovalen Körper in einer veränderten Ausführung, bei der die Kernöffnung den Körper nur teilweise durchzieht und an einem axialen Ende eine massive Wand gebildet ist, zeigt;

Figur 12 ist ein Kraft-Hub-Diagramm, in dem die Ergebnisse statischer und dynamischer Versuche mit einer Gummifeder dargestellt sind, die im grossen und ganzen die gleiche Gestalt wie der in Fig. 1 dargestellte Hohlkörper aufweist;

Figur 13 ist ein Kraft-Hub-Diagramm, in dem die Ergebnisse statischer und dynamischer Versuche mit einer erfindungsgemässen Copolyester-Elastomer-Feder dargestellt sind, die im grossen und ganzen die gleiche Gestalt wie der in Fig. 1 dargestellte Hohlkörper besitzt; und

Figur 14 ist ein Kraft-Hub-Diagramm, in dem die Ergebnisse der Anwendung einer bestimmten Druckkraft auf hohlzylindrische Körper aus Copolyester-Polymer-Elasto-mer verglichen werden, die alle die gleiche anfängliche Grösse und Form hatten, jedoch ein zentrales Loch unterschiedlicher Grösse.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen verbesserten Elastomerkörper wird zunächst unter Bezugnahme auf die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte zylindrische Gestalt des Hohlkörpers beschrieben. Wie dort gezeigt, hat ein zylindrischer Körper 20 aus Copolyester-Polymer-Elastomerwerkstoff eine bestimmte ursprüngliche axiale Höhe «h» und eine kreisförmige Querschnittsfläche «a». Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Körper 20 auch mit einem zentralen Loch 22 versehen. Dabei kann es sich um eine kreisförmige Bohrung handeln, die sich axial durch den Körper 20 von seinem oberen Ende 24 bis zu seinem unteren Ende 26 erstreckt. Erfindungsgemäss wird der mit dem Loch 22 versehene Körper 20 in eine passende Stauchvorrichtung eingesetzt, wie sie durch die Platten P in Fig. 3 dargestellt wird.

Wie in der bereits erwähnten US-PS 4 198 037 erläutert, wird der Polymerkörper dann vorzugsweise einer Wärmebehandlung unterworfen. Für besondere Verwendungszwecke könnte die Wärmebehandlung bis 180 Stunden dauern. Sodann wird der Körper 20 mit einer axial wirkenden Kraft «F» beaufschlagt, um ihn axial auf ein bestimmtes Mass zusammenzudrücken. Die Kraft «F» sollte ausreichen, um den Elastomerkörper um mindestens 30% seiner ursprünglichen axialen Höhe «h» zusammenzudrücken. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die Kraft «F» den Körper 20 um etwa 50% seiner ursprünglichen Höhe «h» zusammendrückt. Druckkräfte, die zu einem Zusammendrücken um 30% bis etwa 80% der anfänglichen axialen Höhe «h» des Körpers 20 führen, sind brauchbar. Wie in der US-PS 4 198 037 weiter erläutert, ändert die Druckkraft «F» die Federeigenschaften des Elastomers, so dass der Körper 20 nach diesem Arbeitsgang als eine Druckfeder mit elastischem Gedächtnis verwendet werden kann.

Das Ergebnis der vorbeschriebenen Anwendung der Kraft «F» zur Herstellung eines Hohlkörpers 20A mit den erfindungsgemässen Vorteilen und Merkmalen ist in Fig. 3 dargestellt. Das Zusammendrücken des Körpers 20 verändert nicht nur die physikalischen Eigenschaften des Polymers, sondern führt auch zur quer- und nach aussen gerichteten Ausdehnung des Lochs 22 und erzeugt damit einen to-roidförmigen Hohlkörper 20A mit einem erweiterten symmetrischen Loch 22 A gemäss Fig. 3. Im Vergleich zu einem der gleichen Druckkraft ausgesetzten Massivkörper aus dem gleichen elastomeren Material weist dieser Hohlkörper 20A andere physikalische Eigenschaften auf. Wie ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, hat der bei diesem Verfahren entstehende Hohlkörper 20A gleichmässige Seitenwände und ist um seine axiale Mittellinie symmetrisch. Der Körper 20A kann damit als Druckfeder, Schwingungsdämpfer, Puffer zur Energieabsorption oder als drehbares Hohlbauelement, beispielsweise als Rad o.ä. eingesetzt werden.

Figur 4 zeigt, dass die entstehenden Elastomerhohlkörper, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, dazu verwendet werden können, eine Druckfederbaugruppe in einem Güterzug- und Lokomotivpuffer 30 zu bilden. Die typische Verwendung dieser Puffer 30 liegt in ihrem Einsatz zwischen Eisenbahnwaggons, um den Aufprall hintereinander stehender oder laufender Wagen zu dämpfen und die während des Rangierens der Güterwagen auf die Wagenkupplungen einwirkenden Stossbelastungen auszugleichen. Um diesen Zweck zu erreichen, gehört zum Puffer 30 ein Gehäuse 40 mit einer flachen Befestigungsrückwand 42. Die Wand 42 ist so ausgebildet, dass sie an der gewünschten Stelle an einem Güterwagen befestigt werden kann, wo die Schlag- oder Stosskraft vom Puffer 30 aufgenommen werden muss. Von der Rückwand 42 erstreckt sich nach innen ein zentraler Block 44, auf dem eine Federbaugruppe 50 sitzt. Wie nachstehend beschrieben, ist das Gehäuse 40 in seiner typischen Ausführungsform zylindrisch und besitzt vorzugsweise einen verbreiterten äusseren Rand 46.

Zum Puffer 30 gehört auch ein innerer Schiebezylinder 60. Dieser Zylinder 60 ist, wie in Fig. 4 gezeigt, im Gehäuse 40 teleskopierbar angeordnet und an seinem äusseren Ende mit einem Aufschlagkopf 62 versehen. Der Zylinder 60 ist so konstruiert, dass er sich bei einer Belastung des Kopfes 62 durch den Aufprall des nächstfolgenden Güterwagens o.ä. in das Gehäuse 40 hineinschiebt. Die durch den Stoss freigesetzte Energie wird durch die Federbaugruppe 50 aufgenommen, die innerhalb des zusammenschiebbaren Zylinders 60 zwischen dem Block 44 und dem Kopf 62 angeordnet ist. An jedem Ende der Federbaugruppe 50 ist weiter eine Federleitplatte 52 angeordnet, die die Aufprallkraft in die Federbaugruppe einleiten.

Ausserdem gehört zu der Druckfederbaugruppe 50 eine Anzahl gestapelter, hohler, elastomerer Federn 54. Diese Federn 54 (im abgebildeten Puffer 30 sind es acht), sind solche wie in Figur 3 dargestellt. Jede Feder 54 besitzt ein durch die erfindungsgemässe Anwendung einer Axialkraft auf die Feder aufgeweitetes zentrales Loch 56. Ebenso ist eine Anzahl Druckplatten 58 in der Federbaugruppe 50 vorgesehen, so dass je eine Platte 58 zwischen benachbarten Federn 54 angeordnet ist. Diese Platten 58 tragen dazu bei, die Federn 54 während der Betätigung des Puffers 30 in der ordnungsgemässen Ausrichtung zu halten. Wie in der US-PS 4 198 037 weiter erläutert, können die Platten 58 mit Oberflächenunre-gelmässigkeiten versehen werden, die zu einer mechanischen Verzahnung mit den anliegenden Federn 54 führen.

Die Funktion des Puffers 30 geht aus der vorstehenden Beschreibung seiner Bestandteile hervor. Wird auf den Kopf 62 eine Kraft aufgebracht, beispielsweise durch die Stösse zwischen aneinanderhängenden Waggons eines Güterzugs, so wird die Stosskraft durch die Federbaugruppe 50 aufgenommen und gedämpft. Die Energieaufnahme beruht auf

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der Tatsache, dass die Kraft den Zylinder 60 in das Gehäuse 40 hineinschiebt und dadurch die Federbaugruppe 50 axial zusammendrückt. Lässt die Kraft nach, dehnt sich die Federbaugruppe 50 wieder aus und der Kopf 62 kehrt in seine Anfangsstellung zurück.

Figur 5 zeigt einen abgewandelten zylindrischen Hohlkörper 70 mit einer zentralen Bohrung 72. An seinem oberen Ende 74 und an seinem unteren Ende 76 hat der Zylinder 70 einen vorspringenden Hals 74A bzw. 76A. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ragen die Hälse 74A und 76A über die dazugehörigen Enden 74 bzw. 76 hinaus und fluchten in axialer Richtung mit der zentral angeordneten Bohrung 72. Diese Hälse 74A und 76A können an dem zylindrischen Hohlkörper 70 durch spanende Bearbeitung, oder wenn der Zylinder 70 durch ein Formverfahren erzeugt wird, durch denselben Formvorgang gebildet werden. In der abgebildeten Ausführungsform ist der obere Hals 74A länger als der untere Hals 76A. Selbstverständlich können die Abmessungen der Hälse nach den Erfordernissen des jeweiligen Verwendungszwecks geändert werden.

In Figur 5 befindet sich der zylindrische Hohlkörper 70 zwischen einem Paar Druckbacken T einer Druckvorrichtung. Die Druckbacken T haben Aussparungen zum Aufnehmen und Umschliessen der Hälse 74A und 76A und sind so angeordnet, dass der Hohlkörper 70 ohne Verformung der Hälse 74A und 76A mit einer axialen Druckkraft beaufschlagt werden kann.

Erfindungsgemäss wird der Hohlkörper 70 in Fig. 5 einer Axialdruckkraft ausgesetzt, die seine Höhe um mindestens 30% seiner ursprünglichen Höhe vermindert, und erhält dann die in Fig. 6 dargestellte Gestalt. Da die Druckbacken T mit Aussparungen für Hälse 74A und 76A versehen sind, bleiben diese im entstehenden komprimierten Hohlkörper 70A unverändert. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist die Höhe des komprimierten Hohlkörpers 70A im Vergleich zu dem in Fig. 5 dargestellten Hohlkörper 70 dauerhaft verringert. Ausserdem wurde die im Hohlkörper 70 vorhandene Axialbohrung 72 um die Längsachse axialsymmetrisch ausgedehnt und bildet ein erweitertes symmetrisches Loch 72A. Der zusammengedrückte Hohlkörper 70A besitzt die Merkmale und Vorteile der Erfindung und ist ferner mit den Hälsen 74A und 76A versehen, die bei bestimmten Verwendungen seine Positionierung und seine Beaufschlagung erleichtern.

Figur 7 zeigt die Verwendung des in Fig. 6 dargestellten komprimierten Hohlkörpers 70A in einem Motorlager. Bei dieser typischen Verwendung wird eine Druckfederbaugruppe so angeordnet, dass sie die Schwingungsenergie zwischen einem verhältnismässig steifen Rahmenelement 80 und einem Paar beweglicher Motorbefestigungsteile 82A bzw. 82B in Gestalt von Platten dämpft. Die Motorlagerbaugruppe muss die Schwingungsenergie in vielen Richtungen aufnehmen und dämpfen können; im Beispiel der Fig. 7 können die Motorbefestigungsteile 82A und 82B relativ zudem starren Rahmenelement 80 sowohl nach oben wie nach unten schwingen. Die Motorlagerbaugruppe muss auch fähig sein, mindestens ein Minimum an horizontaler Schwingungsenergie aufzunehmen.

Diese Anforderungen kann ein Paar elastomerer Hohlkörper 70A gemäss Fig. 6 in koaxialer Ausrichtung übereinander angeordnet in der in Fig. 7 gezeigten Motorlagerbaugruppe erfüllen. Die Hohlform der Körper 70A erlaubt es, durch Änderung der Konstruktionsparameter Federkonstanten einzustellen, die so niedrig sind, dass der Copolye-ster-Polymer-Elastomerwerkstoff für viele typische Motorlager* oder Schwingdämpfungsaufgaben verwendet werden kann. Einer der Hohlkörper 70A ist zwischen dem starren Rahmen 80 und dem oberen Motorbefestigungsteil 82A angeordnet, der andere Hohlkörper 70A zwischen dem Rahmen 80 und dem unteren Motorbefestigungsteil 82B. Durch einen Gewindebolzen 84, welcher durch die erweiterten Axialbohrungen 72A der Hohlkörper 70A gesteckt ist und die Hohlkörper 70A in ihrer axialen Flucht hält, und eine Mutter sind die Hohlkörper 70A mit dem Rahmen 80 und den Motorbefestigungsteilen 82A und 82B verbunden.

Der starre Rahmen 80 enthält eine Öffnung 81 und die Motorbefestigungsteile 82A und 82B enthalten Öffnungen 83 zum Durchstecken des Gewindebolzens 84. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Öffnungen 81 und 83 so bemessen, dass die Hälse 74A und 76A der beiden Hohlkörper 70A eng toleriert eingepasst werden können. Die eingepassten Hälse 74A und 76A halten die Körper 70A relativ zum Rahmen 80 und den Motorbefestigungsteilen 82A bzw. 82B in der richtigen axialen Lage. Die Länge der Hälse 74A und 76A richtet sich nach der Tiefe der Öffnungen 81 und 83, in die die Hälse hineinragen.

Die Anordnung aus Gewindebolzen 84 und Mutter (wie in Fig. 7 dargestellt) überträgt auf und ab gerichtete Schwingungskräfte auf die Hohlkörper 70A. Wenn durch die Bewegung des Motors und seiner Befestigungsteile 82A und 82B eine aufwärts gerichtete Kraft auf die Anordnung aus Gewindebolzen 84 und Mutter wirkt, wird — wie in Fig. 7 gezeigt — das Motorbefestigungsteil 82B nach oben gedrückt, wobei es den unteren Hohlkörper 70A gegen den steifen Rahmen 80 drückt und dadurch die vom Motor ausgehende Schwingung dämpft. Entsprechend drückt eine auf den Bolzen 84 und das Motorlagerteil 82A wirkende, nach unten gerichtete Schwingungskraft den oberen Hohlkörper 70A gegen den starren Rahmen 80 und nimmt die Schwingungsenergie aus der Motorbewegung auf. Wegen der Anordnung der Hälse 74A und 76A in den Öffnungen 81 und 83 können die Hohlkörper 70A ausserdem auf Querkräfte und Torsionsbelastungen reagieren und sie absorbieren, die durch andere als senkrechte Bewegungen zwischen den Motorbefestigungsteilen 82A und 82B und dem starren Rahmen 80 entstehen. Die Hohlkörper 70A dämpfen damit die sich aus der Bewegung der Motorbaugruppe ergebende Schwingungsenergie durch die Reaktion auf Kraftkomponenten sowohl in waagrechter wie in senkrechter Richtung. Die Schwingungsdämpfeigenschaften der Baugruppe werden dadurch wesentlich verbessert.

Figur 8 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäss hergestellten Hohlkörper, die sich deren Symmetrie zunutze macht. Gemäss Fig. 8 wird ein Hohlkörper 90, der ein durchgehendes, erweitertes zentrales Loch 92 besitzt, mit Hals- bzw. Nabenteilen 94 bzw. 96 versehen. Der Hohlkörper 90 ähnelt dem in Fig. 6 gezeigten Hohlkörper 70A und kann mitsamt seinen Nabenteilen auf dieselbe Weise hergestellt werden, wie jener mitsamt seinen Hälsen 74A bzw. 76A. Die Nabenteile 94 bzw. 96 erleichtern die Einführung einer Achse 98 in den zentralen Durchgang 92 des Hohlkörpers 90. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist auf der Achse 98 ein Flansch 99 vorgesehen, der an dem einen Nabenteil 94 anliegt und das Rad 90 an einer seitlichen Verschiebung nach links hindert. Wie weiter aus Fig. 8 hervorgeht, ist der rechte Teil der Achse 98 drehbar mit einer in einem Rahmen 100 angeordneten Öffnung gelagert. Der Rahmen 100 kann mit einem Fahrzeug oder einem anderen fahrbaren Gerät wie einem Elektrokarren o.ä. verbunden werden, auf dem die Räder verwendet werden. Eine Sicherungsscheibe 102 fixiert die Achse 98 im Rahmen 100 und sichert sie und das Rad 90 gegen eine seitliche Verschiebung relativ zum Rahmen 100. Durch die Symmetrie der erfindungsgemäss hergestellten Hohlkörper entsteht ein leichtgewichtiges und leichtgängiges Rad 90.

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Die Fig. 9 bis 11 zeigen den Einsatz erfindungsgemässer Hohlkörper mit nicht zylindrischer Gestalt und zwar wird aus dem Copolyester-Polymer-Elastomerwerkstoff durch spanabhebende Bearbeitung oder durch ein Umformverfahren ein ovaler oder ellipsoidischer Hohlkörper 110 mit einem ovalen, mittig angeordneten Loch 112 gebildet. Die Gestalt des Loches 112 entspricht derjenigen des Hohlkörpers 110 und es verläuft koaxial in diesem, um sicherzustellen, dass der entstehende zusammengedrückte Hohlkörper 110A (Fig. 10) um seine senkrechte Achse symmetrisch ist. In der in den Fig. 9 und 10 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich das Loch 112 durch den ganzen Hohlkörper 110 hindurch.

Figur 10 zeigt die Gestalt des Hohlkörpers 110A, nachdem er erfindungsgemäss mit einer Druckkraft beaufschlagt wurde, durch die seine axiale Höhe um mindestens 30% seiner ursprünglichen Höhe verrringert wurde. Der gestauchte Hohlkörper 110A besitzt ein erweitertes Loch 112A und die für die Erfindung charakteristischen verbesserten Federeigenschaften. Figur 10 zeigt die Symmetrie des Körpers 110A und des durchgehenden Loches 112A bezüglich der Hauptachse des ovalen Körpers. Eine entsprechende Symmetrie des Hohlkörpers 110A und seines Loches 112A besteht auch bezüglich der Nebenachse des Körpers.

Der ovale Hohlkörper 110A kann als Druckfeder in Anwendungen verwendet werden, in denen das Vorhandensein einer Hauptachse und einer Nebenachse von Vorteil sein kann, beispielsweise in einer rechteckigen Federbaugruppe. Fachleute werden natürlich ohne weiteres erkennen, dass die Form oder Gestaltung der Hohlkörper und ihres Loches abgewandelt werden kann, um sie dem beabsichtigten Verwendungszwecke anzupassen.

In Figur 11 wird eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen ovalen Hohlkörpers 110B gezeigt, welcher sich von dem in Fig. 10 dargestellten darin unterscheidet, dass sich das Loch 112B nur teilweise durch den Körper erstreckt, wodurch an einem Ende des Körpers eine massive Stirnwand 113 gebildet wird. Diese Stirnwand 113 ist bei manchen Anwendungen zweckmässig, beispielsweise wenn der Hohlkörper 110B als Puffer zur Energieabsorption verwendet wird. In einem solchen Fall kann der Hohlkörper 110B mittels eines an der Stirnwand 113 befestigten Verbindungsteils (z.B. eines Bolzens) in der gewünschten Stellung auf einem Fahrzeug, an einer Leitschiene oder einem anderen Gegenstand befestigt werden.

Figur 12 zeigt Kennlinien eines Puffers 30 mit der in Fig. 4 dargestellten Gestalt unter dynamischen und statischen Versuchsbedingungen, wobei der Puffer 30 mit einer Druckfederbaugruppe 50 versehen ist, die aus kreisrunden Gummifederelementen mit einem zentralen Loch besteht. Das in Fig. 12 dargestellte Diagramm zeigt den Hub der Federbaugruppe 50 in Millimetern, wenn der Pufferkopf 62 mit einer in kN angegebenen Kraft beaufschlagt wird, um den Stapel der Gummifedern zusammenzudrücken. Die durchgezogen gezeichnete Kennlinie S in Fig. 12 stellt die Kraft-Hub-Kennlinie des Puffers bei einer Beaufschlagung mit einer «statischen» Kraft dar, welche so gewählt wurde, dass der Puffer mit einer Geschwindigkeit von 25 mm pro Minute bis zum Anschlag zusammengedrückt wurde. Die anfängliche Vorspannkraft betrug 1 kN und die Endkraft 630 kN. Die Fläche unterhalb der statischen Kraft-Hub-Kennlinie S in Fig. 12 stellt die gesamte von der Federbaugruppe 50 nach einem Federweg von etwa 105 mm gespeicherte Energie (We) dar. Bei einem typischen statischen Versuch betrug diese Energie We = 9 kJ für die Gummidruckfedern.

Die Kraft-Hub-Kennlinie D in Fig. 12 stellt die durch die Beaufschlagung desselben Puffers gemäss Fig. 4 mit einer dynamischen Last erzeugte Kraft-Hub-Kennlinie dar. Die dynamische Last wurde durch den Aufschlag eines 12 247 kg (27.000 englische Pfund) schweren Fallhammers auf den Kopf 62 aufgebracht. Auch hier stellt die Fläche unterhalb der Kennlinie D in der Fig. 12 graphisch die gesamte Energie (We) dar, die von der Federbaugruppe bei einem Federhub von etwa 105 mm gespeichert wird. In einem typischen dynamischen Versuch mit dieser mit Gummifedern versehenen Art Puffer betrug die gespeicherte Energie (We) 18 kJ. Die Endkraft lag bei 1325 kN.

Zum Vergleich ist in Fig. 13 das Ergebnis der dynamischen und statischen Versuche mit einem der Fig. 4 entsprechenden Puffer 30 dargestellt, wobei jedoch die Hohlkörper 54 nicht aus Gummi bestanden, sondern erfindungsgemäss aus einem Copolyester-Polymer-Elastomerwerkstoff hergestellt waren. Die mit einem durchgezogenen Strich gezeichnete Kennlinie S in Fig. 13 stellt die Kraft-Hub-Kennlinie dar, die man bei Belastung des Puffers 30 mit einer statischen Prüfkraft erhält, wobei die Belastung mittels einer Spindel erfolgte, welche den Puffer mit einer Geschwindigkeit von 25 mm pro Minute zusammendrückte. Wie in Fig. 13 dargestellt, war für die grösstmögliche Verkürzung des Puffers 30 um einen Hub von etwa 105 mm eine Beaufschlagung mit 1050 kN erforderlich. Die Fläche unterhalb der Kennlinie S, die die durch die Verkürzung um 105 mm gespeicherte Federenergie (We) darstellt, betrug typisch 32 kJ. Die gestrichelt gekennzeichnete Kennlinie D in Fig. 13 ist die Kraft-Hub-Kennlinie für die Polymerfederbaugruppe 50 in dem Puffer 30 unter dynamischen Versuchsbedingungen. Die dynamische Kraft wurde wiederum durch den Aufschlag eines 12 247 kg (27.000 englische Pfund) schweren Fallhammers aufgebracht.

Die maximale dynamische Belastung der Polymerfederbaugruppe 50 bei der grösstmöglichen Verkürzung des Puffers 30 um einen Hub von 105 mm betrug 1552 kN. Die Fläche unterhalb der Kennlinie D, die die von der Federbaugruppe 50 gespeicherte Energie (We) darstellt, betrug bei einem typischen dynamischen Test etwa 50 kJ.

Bei einem Vergleich der Fig. 12 und 13 ist festzustellen, dass die Copolyester-Polymer-Federn 54 bei ihrer Verwendung in einem gemäss Fig. 4 ausgeführten Puffer im Vergleich zu Gummidruckfedern verbesserte Federkennlinien und Fähigkeiten zur Energieaufnahme besitzen. Sowohl unter dynamischen wie unter statischen Versuchsbedingungen war die für das vollständige Zusammendrücken der Federbaugruppe erforderliche Kraft bei den Copolyester-Polymer-Federn 54 erheblich grösser. Ausserdem lag auch der Wert der von den Federn gespeicherten Energie (We) bei den Co-polyester-Polymer-Druckfedern 54 wesentlich höher. Bei den statischen Versuchen erhöhte sich die gespeicherte Energie fast um den Faktor Vier von 9 auf 32 kJ. Bei den dynamischen Tests stieg die gespeicherte Energie von 18 kJ bei Gummi auf 50 kJ bei den erfindungsgemässen Federn.

Fig. 14 illustriert zusätzliche Merkmale und Kennzeichen der erfindungsgemäss hergestellten Elastomerhohlfedern. Figur 14 zeigt vier Kraft-Hub-Kurven für unterschiedlich gestaltete Federelemente. In allen vier Fällen ist man von einem zylindrischen Körper aus einem Copolyester-Polymer-Elastomer mit einem Aussendurchmesser von 6,35 cm und einer axialen Anfangshöhe von 7,6 cm ausgegangen. Bei jedem Beispiel wurde der zylindrische Körper mit einer axialen Druckkraft beaufschlagt, die ihn um 70% seiner anfänglichen Höhe verkürzte. Die Kraft wurde sodann weggenommen. Der Körper Pi war ein massiver elastomerer Zylinder. Nach Wegnahme der Druckkraft hatte der Körper Pi noch eine Höhe von 4,1 cm in unbelastetem Zustand. Der Körper P2 erhielt eine Axialbohrung mit einem anfänglichen Innendurchmesser von etwa 19 mm. Die Höhe von P2 in unbelastetem Zustand betrug nach der Beaufschlagung mit der

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Druckkraft, die ihn um 70% stauchte, etwa 4,2 cm. Der Körper P3 wurde mit einer Axialbohrung versehen, deren anfänglicher Innendurchmesser 2,54 cm betrug. Nach dem Stauchen von P3 um 70% ergab sich daraus eine Höhe von etwa 4,5 cm in unbelastetem Zustand. Im Körper P4 war eine Axialbohrung mit einem anfänglichen Innendurchmesser von etwa 32 mm angeordnet. Nach dem Stauchen um 70% ergab sich daraus eine Höhe von P4 von etwa 5,54 cm in unbelastetem Zustand.

Die in Fig. 14 dargestellten Kraft-Hub-Kennlinien zeigen die Vielseitigkeit der erfindungsgemäss hergestellten Federn, deren Eigenschaften sich durch Vorsehen von unterschiedlich grossen Löchern gezielt beeinflussen lassen. Diese Kraft-Hub-Kennlinien wurden erzeugt, indem man die Körper Pi—P4 in ihrer endgültigen Form mit einer statischen Last beaufschlagte, die zu einer Stauchgeschwindigkeit von 25 mm pro Minute führte.

Ein Vergleich zwischen den in Fig. 14 aufgezeichneten Kennlinien zeigt die Wirkung der erfindungsgemässen Anordnung eines zentralen Lochs in dem Elastomerhohlkörper und den Einfluss der Abwandlung des Lochdurchmessers. Mit grösser werdendem Loch nimmt auch die bei der Beaufschlagung mit einer gegebenen Kraft auftretende Stauchung erheblich zu; anders gesagt, die für eine maximale Stauchung erforderliche Kraft nimmt spürbar ab. Dadurch erhalten die verschiedenen Körper P2—P4 ganz unterschiedliche Federkonstanten. Auch die von den Federn bei maximaler Stauchung gespeicherte Energie (We) ändert sich mit der Grösse der Löcher. Der Wert We für den massiven Körper Pi wurde zu etwa 153 kpm (13.300 inch. pound) bestimmt; für P2 lag der Wert von We bei etwa 109 kpm (9.500 inch. pound), für P3 bei 92 kpm (8.000 inch. pound) und für P4 betrug er ungefähr 79 kpm (6.900 inch. pound).

Im Rahmen dieser Erfindung kann also ein Körper aus thermoplastischem Elastomerwerkstoff zur Veränderung seiner Federeigenschaften ohne Schwierigkeit geändert werden, um so die jeweiligen Konstruktionsanforderungen für bestimmte Anwendungen zu erfüllen. Die Vielseitigkeit der Erfindung gibt dem Konstrukteur dadurch die Möglichkeit, eine Feder genau auf die Bedürfnisse eines Kunden zuzuschneiden und ihr innerhalb eines gegebenen Volumens eine bestimmte Federkonstante bzw. Energiespeicherkapazität zu verleihen. Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wurden lediglich als Beispiele aufgeführt. Abwandlungen sind dem Fachmann im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

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1. Verfahren zum Herstellen eines kompressiblen Körpers aus einem elastomeren Copolyester-Polymer-Werkstoff, der nach einer anfänglichen Stauchung um ein nennenswertes Mass verkürzt bleibt, durch Stauchen eines aus solchem Werkstoff bestehenden Körpers mit vorgegebener anfänglicher Querschnittsgestalt und axialer Länge um wenigstens 30% seiner ursprünglichen axialen Länge durch zeitweilige Anwendung einer in Richtung der Längsachse wirkenden stauchenden Kraft, wodurch die Querschnittsgestalt bleibend verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (20) vor dem Stauchen mit einem sich in Richtung seiner Längsachse erstreckenden Loch (22) versehen wird, das einen gleichförmigen Querschnitt hat und welches nach dem Stauchen aufgeweitet bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (20) mit einem seine volle axiale Länge durchsetzenden Loch (20) versehen wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (110B) mit einem Sackloch (112B) versehen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch in den Körper hineingebohrt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch in dem Körper durch ein Umformverfahren gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stauchende Kraft so gross gewählt wird, dass der Körper durch sie um 30% bis 80% seiner ursprünglichen axialen Länge verkürzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stauchende Kraft so gross gewählt wird, dass der Körper durch sie um 50% seiner ursprünglichen axialen Länge verkürzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Körper verwendet wird, welcher zur Aufnahme von Quer- und/oder Torsionskräften an einem oder beiden Enden eine koaxial zum Loch angeordnete, im Verhältnis zum übrigen Körper verengte Halspartie (74A, 76A) aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen eines gestauchten Hohlkörpers mit gleichförmiger und in bezug auf die Achse, in deren Richtung gestaucht wird, symmetrischer Wandung das Loch mittig im Körper angeordnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Körper verwendet wird, dessen Aussenfläche im Querschnitt durch die Achse, in deren Richtung die stauchende Kraft wirkt, koaxial zu dem Loch angeordnet ist und eine dem Loch ähnliche Gestalt hat.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche und das Loch (22) des zu stauchenden Körpers (20) zur Bildung eines Rades oder eines gestauchten toroidförmigen Hohlkörpers im Querschnitt kreisförmig sind.

12. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung von Druckfedern.

13. Anwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Herstellung einer Druckfeder verwendete Körper vor dem Stauchen einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

14. Anwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Druckfeder zwei an ihren beiden Enden vorgesehene Druckplatten (58) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der ela-stomere Hohlkörper noch vor dem Stauchen zwischen den beiden Platten (58) angeordnet wird, welche mit Mitteln zum mechanischen Verbinden mit dem Hohlkörper ausgerüstet sind, und dass der Hohlkörper dann zwischen den beiden Druckplatten so stark gestaucht wird, dass der elastomere Werkstoff fliesst, wodurch der Hohlkörper sich mechanisch mit den Druckplatten verbindet und gleichzeitig bleibend verkürzt wird.

15. Anwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen einer aus mehreren koaxial übereinander angeordneten elastomeren Hohlkörpern (54) bestehenden Druckfederbaugruppe ein abwechselnd aus noch nicht gestauchten Hohlkörpern und aus Druckplatten (58) bestehender Stapel gebildet und dieser Stapel als Ganzes gestaucht und dadurch die Hohlkörper mit den ihnen benachbarten Druckplatten verbunden und gleichzeitig bleibend verkürzt werden.

16. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auf die Herstellung von Stoss- und Schwingungsdämpfern und von energieaufnehmenden Puffern.