DE2140124A1

DE2140124A1 - Elastische Hochleistungs Lagerbuchse

Info

Publication number: DE2140124A1
Application number: DE19712140124
Authority: DE
Inventors: Arthur Lucerne Sievers David Lee Logansport Ind Mundy (V St A )
Original assignee: General Tire and Rubber Co
Current assignee: Aerojet Rocketdyne Holdings Inc
Priority date: 1970-08-10
Filing date: 1971-08-10
Publication date: 1972-02-17
Also published as: DE2140124C2; US3666335A; JPS5429768B1; FR2101995A5; ZA714808B; GB1365122A; CA939426A

Description

Dr. Ing. Walter Abitz 10. August 1971

Dr. Dieter F. Morf gt

Dr. Hans-Α. Brauns

München 86, Pianzanauerstr. 28

THE GENERAL TIRE & RUBBER COMPANY Akron, Ohio, V. St. A.

Elastische Hochleistungs-Lagerbüchse

Die Erfindung bezieht sich auf eine elastische Lagerbüchse, die allgemein als Gummilager (Silentblock) bezeichnet wird und aus zwei starren konzentrischen Hülsen besteht, zwischen denen sich ein gummiartiges, gehärtetes Elastomer-Formeinsatzteil befindet. Die Innenhülse ist üblicherweise kreisringförmig und kann entweder massiv oder hohl ausgeführt sein, während die Außenhülse normalerweise kreisringförmig oder oval ist. Der gimmiartige Einsatz befindet sich zwischen den beiden Hülsen unter starkem radialem Druck und ermöglicht den beiden Hülsen Torsions-,

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Radial- und Axialbewegungen gegeneinander auszuführen. Die Kompression des Gummis zwischen den Hülsen verhindert einen Schlupf zwischen dem Gummi und den Hülsen. Wenn die Lagerbüchse stark belastet werden muß, wird der Gummi häufig durch eine Klebung mit mindestens einer der beiden Hülsenverbunden, um den Widerstand gegen das Auftreten von Schlupf noch zu erhöhen.

Derartige Lagerbüchsen können vielfältig eingesetzt werden. Sie können in fast allen Fällen verwendet werden, in denen es sich darum handelt, zwei Teile einer Vorrichtung miteinander zu verbinden, sie jedoch schwingungsmäßig voneinander zu isolieren. Bei einem Kraftfahrzeug werden die-

ψ se Lagerbüchsen im Auge der Blattfedern benutzt oder auch an anderen Stellen der Aufhängung, etwa bei Motor- und Getriebeaufhängungen, bei Lenkungen und Leerlaufarmen. Bei einer Lastwagen-Tandemachse, bei der an jedem Ende einer Schwinge eine Welle angebracht ist, wird die Schwinge in ihrer Mitte schwenkbar mit einem Auflager über ein Gummilager der angegebenen Art, ein Schwingenmittenlager, Verbunden. Der Aufbau des Lastwagens ist normalerweise an dem Auflager befestigt. Das auf die elastische Lagerbüchse wirkende Gewicht des Aufbaus und des zu transportierenden Guts führt zu einer Verlagerung der Lagerbüchse in radialer Richtung, während die unabhängig voneinander bei den beiden Rädern auftretenden Stöße die Schwinge zu Schaukelbewegungen veranlassen, wodurch die Lagerbüchse Torsionsbeanspruchungen erfährt. Es hat sich ferner gezeigt, daß an diesen Lagerbüchsen in wesentlichem Umfang kegelförmige Verlagerungen auftreten, wodurch ein Fluchtungsfehler zwischen den beiden Hülsen der Lagerung entsteht. Man hat erkannt, daß derartige konische Bewegungen zu starker Abnützung des Einsatzes zwischen den Hülsen führt, wodurch es häufig zu einem vorzeitigen Ausfall der Lagerbüchse kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Dauerfestigkeit von Schwingenmittenlagern zu verbessern, wie sie bei der

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Aufhängung einer- Tandemachse verwendet werden.

Weitere Erfindungsaufgäbe ist die Entwicklung von verschleißfesten Ringen, die keinem Druck ausgesetzt sind, und deren Anbringung als Ersatz für einen Teil des Gummieinsatzes an jedem der beiden Einsatzenden, mit dem Ziel, die Abriebfestigkeit einer elastischen Lagerbüchse zu verbessern.

Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lagerbüchse zu entwickeln, die aus zwei mit gegenseitigem Abstand konzentrisch angebrachten starren Hülsen besteht, zwischen denen sich ein in radialer Richtung unter Druck stehender Elastomer-Einsatz befindet, der zwischen 70 und 90 % des Raums zwischen den Hülsen einnimmt, mit je einer abriebfesten Hülse an den Enden des Einsatzes zwischen den beiden Hülsen in Berührung mit einer der Hülsen und normalerweise mit einem gewissen Abstand von der anderen Hülse, der mindestens gleich der Größe ist, um die das Lager sich in radialer Richtung verformt, wenn auf das Lager eine normale statische Belastung einwirkt.

Diese Merkmale sowie weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen, die folgendes darstellen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht einer Anordnung mit einer Lastwagentandemachse mit einer Übersicht über die wichtigsten einzelnen Bauteile;

Fig. 2: eine Ansicht einer Ausgleichsschwinge der Achsanordnung nach Fig. 1;

Fig. 3: einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig.2;

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Fig. 4: einen Querschnitt durch die Lagerbüchse nach Fig. 3;

Fig. 5: eine Ansicht des Endes der Lagerbuchse nach Fig. 4 in größerem Maßstab.

Fig. 1 zeigt eine Tandemachsanordnung mit zwei Achsen 2, 4, an denen zwei Sätze Zwillingsreifen 6a, 6b und 8a, 8b auf Felgen 7 und 9 angebracht sind. Die Achse 2 ist an zwei Trägern 10a, 10b befestigt, von denen jeweils zwei Arme 12a, 12b nach unten abzweigen. Der Träger 10a ist über die Lagerbüchse 16a mit einem Ende der Ausgleichs schwinge 18a verbunden, und in entsprechender Weise steht der Träger 10b über die Lagerbüchse 16b mit der Ausgleichsschwinge 18b in Verbindung. Die beiden Lagerbüchsen 16a, 16b sind an ihren jeweiligen Trägern mit Stiften, Schrauben oder auf andere Weise angebracht. Die Achse 4 ist mit dem anderen Ende der beiden Ausgleichsschwingen 18a, 18b in gleicher Weise verbunden. In ihrer Mitte sind die beiden Schwingen 18a, 18b durch ein Querrohr 20 verbunden, das zur Aufrechterhaltung der Fluchtung der Tandemachsanordnung dient. Zwei Auflager 2 2a, 2 2b sind an den Trägern 18a und 18b angeordnet, und die Auflager tragen auf ihrer Oberseite einen Lastwagenaufbau. Zwischen Auflager und Aufbau werden üblicherweise (nicht gezeichnete) Federungsorgane angeordnet.

Die Figuren 2 und 3 zeigen die Anbringung der Ausgleichsschwinge 18a an dem Auflager 22a in einer Weise, die die Schwinge ane Schwenkbewegung ausführen läßt, wenn jede der Achsen über eine Welle oder ein Hindernis auf der Straße läuft. Die Schwinge dient dazu, die Lastverteilung des Lastwagens zwischen den beiden Achsen zu vergleichmäßigen, wodurch die Amplitude von Stößen und

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Sprüngen, die beim Überfahren von Unebenheiten auftreten, so klein wie möglich gehalten werden kann. Bei dieser Aufhängungsart ist die Vertikalbewegung des Auflagers -2 2a und die daraus abzuleitende Bewegung des daran angebrachten Lastwagenaufbaus gleich der Hälfte der Vertikalbewegung eines Satzes Zwillingsräder, die ein Hindernis überschreiten. Eine elastische Lagerbüchse 16a wird mit Preßsitz oder auf sonstige geeignete Weise in das Auge an jeder der beiden Schwingen gebracht.

Das Auflager 22a steht mit der Schwinge 18a über eine elastische Lagerbüchse 30, die zwei Metallringe aufweist, die voneinander durch einen Gummieinsatz getrennt sind, in Verbindung. Die Einzelheiten der Anordnung v/erden in Fig. 3 dargestellt. Die Lagerbüchse 30 weist eine als Schwingenmittenhülse bezeichnete Lagerbüchse 30 auf, sowie eine Außenhülse 34, die vondnander durch einen elastischen Elastomereinsatz 36 getrennt sind. Die Innenhülse ist zwischen den beiden Armen 24a, 24b des Auflagers durch Schellen 26a, 26b aufgenommen, die mit Muttern 27a, 27b gehalten werden, die auf Zapfen 28a, 28b geschraubt sind. Das Querrohr 20 führt in die Schwingenmittenhülse 32 . hinein und stößt an einen Stopfen 38 oder ein anderes passendes Verschlußteil, das in die Hülse 32 geschweißt oder anderweitig unverrückbar mit ihr verbunden ist. Die Außenhülse 34 wird mit Preßsitz oder auf andere Weise in einem Kreisring in der Mitte der· Ausgleichsschwinge 18a gehalten. Eine Schwenkbewegung der Ausgleichsschwinge 18a gegenüber dem Auflager 22a führt zu Torsionsverformungen des Einsatzes 36 in der Lagerbüchse.

Fig. 4 zeigt Einzelheiten der erfingungsgemäßen Lagerung. Wie erwähnt, besteht die Lagerbüchse aus einer als Schwingenmittenhülse bezeichneten Innenhülse 32 und einer Außenhülse 34, zwischen denen ein in radialer Richtung zusammen-

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gedrückter ringförmiger Einsatz 36 aus Gummi sitzt. Der Einsatz 36 besteht allgemein aus einem Gummimaterial, das so aufgebaut ist, daß gute Rückfederung, Härte, sowie Beständigkeit gegen Schmutz, Benzin u.dgl. gegeben sind. Wenn der Gummi zu steif oder zu hart ist, können Torsionsbelastungen der Büchse den Gummi zum Gleiten an einer der beiden Hülsen veranlassen, oder sie können das Schluckvermögen der beiden-Achsen für Wellen und Buckel der Straße herabsetzen. Eine Härte von etv7a 7 2 bis 7 8 Durometergraden hat sich besonders geeignet erwiesen. Der Einsatz wird ψ im allgemeinen durch Formpressen hergestellt; er wird dann unter Verwendung eines geeigneten Vulkanisiermittels bei erhöhter Temperatur vulkanisiert. Die Stärke des geformten ringförmigen Einsatzes beträgt etwa das Anderthalbbis Zweifache des Abstands zwischen den beiden Hülsen, . während der Einsatz etwa halb so lang ist wie die Auße_;n- _: hülse. Zum Zusammenbau der Lagerbüchse wird der Einsatz in radialer Richtung zusammengedrückt, wodurch er sich in Längsrichtung dehnt und mindestens 70 % bis 90 % des Ringraums zwischen der Innen- und der Außenhülse ausfüllt,

Gemäß der Erfindung wird ein harter, abriebfester Ring 4-0 über jedes Ende der Innenhülse 32 gestreift, um den ver- * bliebenen Raum zwischen den Hülsen auszufüllen. Der Gummieinsatz 36 wird vorzugsweise axial zentriert gegenüber der Außenhülse 34, wodurch dann die beiden Ringe gleiche Größe erhalten. Der Außendurchmesser jedes Ringes 40 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser der Außenhülse 3H, wodurch sich ein Spiel ergibt, das eine statische Radialverlagerung der beiden Hülsen 32, 34 erlaubt, ohne daß einer der Ringe 40 zusammengedrückt wird. Ist das Spiel zu gering oder zu groß, kommen die Vorteile der Erfindung nicht voll zur Geltung. Dieses Spiel sollte üblicherweise

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weniger als 0,25 mm (0,010") betragen, wenn die Lagerbüchse in radialer Richtung statisch belastet ist.

Die in größerem Maßstab wiedergegebene.Endansicht nach Fig. 5 zeigt einen der abriebfesten Ringe UO radial neben einem Ende der Außenhülse 34 liegend und die Innenhülse 32 fest umschließend. Zwischen dem Ring und der* Außenhülse ergibt sich ein Zwischenraum 42. Dieser Zwischenraum ist ausreichend groß, damit die Außenhülse sich gegen die Innenhülse 32 neigen kann, wie es im Umriß angedeutet ist, wenn eine statische radiale Belastung ausgeübt wird. Wie erwähnt, wird durch diese Neigung der Gummieinsatz zusammengedrückt und ausgebaucht. Normalerweise berührt jedoch die Außenhülse dabei den Ring nicht.

Die nachstehenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung» Eine Lagerbüchse, die in der Mitte eir ner Ausgleichsschwinge bei einer Tandemachse verwendet wird, besteht aus einer rohrförmigen Innenhülse mit einer Länge von 255 mm (12,5") und einem Außendurchmesser von 69,9 mm (2,75"), die umgeben ist von einer Außenhülse mit einem Innendurchmesser von 85,7 mm (3,375") und einer Länge von 177,8 mm (7"). Wenn die beiden Hülsen konzentrisch angeordnet sind, beträgt der Radialabstand zwischen ihnen etwa 7,9 mm (0,312"). Es wurden mehrere Gummieinsätze mit einem Gummiansatz aus 100 Teilen Naturgummi mit 67 Teilen Ruß und geeigneten Weichmachern, Ozonschutzmitteln und einem Schwefelvulkanisationsansatz hergestellt. Die Einsätze wurden als Formpreßlinge hergestellt und anschließend in einem Warmluftofen bei einer Temperatur von etwa 149°F) 20 bis 22 Minuten lang vulkanisiert. Die Härte der fertigen Einsätze betrug etwa 75° Shore-A-Durometer-Härte, und die Einsätze wiesen die folgenden ungefähren Abmessungen auf:

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Innendurchmesser - 62,0 mm (2,44")

Außendurchmesser - 9 3,5 mm (3,68")

axiale Länge - 71,1 mm (2,80")

Die Lagerbüchsen wurden folgendermaßen montiert: Der Einsatz wurde in die Außenhülse hineingeschoben, so daß sich eine Teilanordnung ergab, die dann unter Verwendung eines kegelförmigen Dorns über das innere Metall gestoßen oder gedrückt wurde. Zum Zusammenbau der Teile wurde ein ge- w eignetes öl als Schmiermittel benutzt. Wegen des außerordentlich hohen Drucks in radialer Richtung längte sich der Einsatz um etwa 100 %, und gleichzeitig wurde ein Gleiten zwischen dem Einsatz und den Hülsen vermieden. Zwischen Gummi und Hülsen wurde kein chemisches Klebemittel verwendet. Dann wurde über jedes Ende der Innenhülse ein Urethanring geschoben. Diese Ringe wurden aus einem flüssigen Polymergemisch von 1,4-Oxybutylenglykol und Toluoldiisocyanat mit etwa 3,6 5 % verfügbarem Isocyanat hergestellt. Das Polymer wird von DuPont unter dem Handelsnamen ADIPRENE L-167 in Verkehr gebracht. Das Polymer wurde mit 20 Teilen MOCA gehärtet, einem aromatischen Diamin aus 4,4'-Methylen-di(2-chloranilin). Dieser Härter führt zu schneller

Härtung bei gleichzeitiger erheblicher Kettenbildung und Vernetzung, so daß sich ein zähes Polymer mit einer Härte von ungefährt 9 5 (Shore A)-Härtegraden ergibt. Ein Satz Ringe wurde 15 Minuten lang in einer Form bei 100° C (212°F) gehärtet, worauf eine dreistündige Nachhärtung bei 100° C (212°F) folgte. Bn zweiter Satz Ringe wurde 30 Minuten lang in der Form bei 100° C (212°F) gehärtet, worauf die gleiche Nachhärtung erfolgt, und ein dritter Satz (Probe C) wurde 30 Minuten lang in der Form gehärtet und dann mindestens 14 Tage lang bei Zimmertemperatur nachgehärtet. Sämtliche Ringe waren 19,05 mm (0,75") breit und hatten einen Innendurchmesser, der um etwa 209808/1352

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0,04 mm (0,015") kleiner war als der Außendurchmesser der Innenhülse. Nach dem Aufsetzen auf die Lagerbüchse hatten die Ringe einen Abstand zwischen etwa 0,25 und 0,50 mm (0,010 und 0,020") von der Außenhülse. Wegen der starken Kompression, Längung und Härte des Gummieinsatzes, wies die Lagerbüchse einen außerordentlich hohen radialen statischen Federkennwert auf und verschob sich um nur etwa 0,25 mm (0,010"). unter einer Belastung ^^τοη etwa 4,5 t (10 000 pounds). Der Spalt zwischen dem Ring und der Außenhülse war demnach offen und verhinderte eine Berührung unter Druck zwischen der Hülse und dem Ring bei statischer Belastung.

Die drei Lagerbüchsen wurden in eine Testmaschine eingesetzt, die mit einer Schwinge ausgerüstet war, die ebenso aussah wie die in Fig. 2 gezeichnete Ausgleichsschwinge. Die Enden der Schwinge wurden in axialer Richtung hin und her bewegt, um die Lagerbüchse einer starken konischen Belastung unter einem Moment von etwa 19 35 mkg (14 000 foot-pounds). Die drei Lagerbüchsen liefen zwischen 31 und 48 Stunden ohne Zerstörung des Gummis.Diese Lagerbüchsen wurden verglichen mit einigen nicht-verbesserten Lagerbüchsen, bei denen der Gummieinsatz den gesamten Raum zwischen den beiden Hülsen ausfüllt. Unter der gleichen Belastung, wie oben angegeben, hatten diese Büchsen eine durchschnittliche Lebensdauer von ungefähr 6,8 Stunden mit einer Variationsbreite zwischen etwa 4,2 und etwa 10,9 Stunden, bevor der Gummi unbrauchbar wurde.

Bei der Wahl der Abmessungen der Endringe sind zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen. Dazu gehören die Größe der Lagerbüchse und die Stärke des Einsatzes, die Gummihärte und der Betrag der Ausdehnung des Einsatzes in der Anord-

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nung sowie die vorgesehene radiale Torsions- und konische Belastung. Die Ringe sollten vorzugsweise die Innenhülse eng umfassen und von der Außenhülse einen Abstand haben, der mindestens gleich der statischen Radialverschiebung der Büchse ist. Beispielsweise solle bei einer sehr harten Lagerbüchse mit einem statischen Federkennwert von 1 000 000 pounds per inch der Abstand zwischen Ring und Außenhülse etwa 0,025 mm (0,001") je 45-4 kg (1000 pounds) angenommener statischer Belastung betragen. Für niedrigere Federkennwerte, d.h. wenn weicherer Gummi oder Gummi mit niedrigeren Durometer-Werten für den Einsatz verwendet wird, ist der Abstand entsprechend größer. Statt die Innenhülse fest zu umfassen, kann der Ring im Preßsitz auf die Außenhülse gesetzt oder darauf geklebt werden und um einen gleichen Betrag Abstand von der Innenhülse erhalten» Ist der Abstand zu groß, wird die Lagerbüchse im Gebrauch einer zu großen konischen Bewegung ausgesetzt, und der abriebfeste Ring erhöht die Lebensdauer der Lagerbüchse nicht merklich. Der Abstand sollte daher nicht über etwa das Zweifache des Abstandes hinausgehen, der für die Aufnahme der statischen Belastung erforderlich ist. Die Ringe dienen dann zur Begrenzung des Betrages der zulässigen konischen Auslenkung.

Die Breite des Ringes ist ebenfalls wichtig, weil dieses Maß die Breite des Gummis bestimmt, der zum Ausüben der normalen Lagerbüchsenfunktion verfügbar ist. Die Verwendung eines breiten Ringes mit entsprechender Verringerung der Breite des Gummieinsatzes führt zu einer Herabsetzung der verschiedenen Federkennwerte der Lagerbüchse und zu einer Einschränkung der Vorteile, die die Verwendung eines Gummieinsatzes herbeiführt. Die Breite der beiden Ringe sollte zusammen nicht mehr als 30 % der

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Gesamtbreite des Verengungsbereichs betragen. Damit die
Ringe eine Uirkung ausüben können, sollte ihre zusammengefaßte Breite mindestens etwa 5 % ausmachen. Wünschenswert ist eine Gesamtlänge zwischen etwa IO % und 20 %
der axialen Länge der Verengung zwischen den beiden Hülsen.

Die Erfindung ist im Hinblick auf die Anwendung von
Urethan-Ringen beschrieben worden, es können aber natürlich auch andere Arten Ringe verwendet werden. Zum Beispiel können an den Enden des Gummieinsatzes verschleißfeste Werkstoffe, wie Nylon, Stahl, Bronze u.dgl. verwendet werden, um das Abschaben und den Abbau des Gummis durch konische Bewegung der beiden Hülsen zu verhindern.

Patentansprüche:

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Claims

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ΛΑ

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Patent ansprüche

k ι J..1 Elastische Lagerbüchse mit einem geformten Elastomer-

Einsatz und zwei starren ringförmigen Hülsen, nämlich einer inneren Hülse und einer gegenüber der inneren wesentlich kürzeren äußeren Hülse, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (36) zwischen den Hülsen (32, 3¹O in radialer Richtung komprimiert und infolge des Komprimierens um mindestens 50 % seiner Länge vergrößert wird, daß der Einsatz (36) gegenüber der äußeren Hülse (34) zentriert ist und im eingebauten Zustand eine Länge von ungefähr 70 bis 95 % der Länge der äußeren Hülse (34) besitzt, und daß an der Büchse zusätzlich an beiden Enden den Einsatzes (36) je ein abriebfester Ring (40) axial neben den Einsatzenden angebracht und um die innere Hülse (32), sie berührend, gelegt ist, wobei die Ringe (40) von der äußeren Hülse (34) einen Abstand haben, der nicht größer ist als die zweifache Strecke, um die sich die innere und die äußere Hülse gegeneinander verlagern, wenn eine normale radiale Belastung ausgeübt wird.
2. Lagerbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder abriebfeste Ring (40) aus einem zähen Polymerwerkstoff besteht.

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3. Lagerbüchse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymerraaterxal aus gegossenem Polyurethan besteht.
4. Lagerbüchse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyurethan eine Härte von etwa 95 Durometer-(Shore A)-Graden hat.
5. Lagerbüchse nach einem der verhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbreite der Ringe (40) zwischen etwa 5 % und etwa 30 % der axialen Länge der äußeren Hülse (34) beträgt.
6. Lagerbüchse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbreite zwischen etwa 10 % und etwa 20 % der Länge der äußeren Hülse (34) liegt.
7. Lagerbüchse für das Mittelauge einer Ausgleichsschwinge an einer Tandemachse, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbüchse aus einem gepreßten und vulkanisierten Gummieinsatz (36) besteht, der in radialer Richtung zwischen einer inneren Hülse (32) und einer gegenüber der inneren Hülse (32) kürzeren äußeren Hülse (34) zusammengedrückt ist, daß die Lagerbüchse radialen Torsions- und konischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, wobei der Einsatz (36) zur Beschränkung der radialen und Torsions-Bewegung dient, und daß in der Lagerbüchse je ein abriebfester Ring (40) an jedem Ende des Einsatzes zur Beschränkung der konischen Bewegung vorgesehen ist, wobei die Ringe (40) neben den Enden der äußeren Hülse (34) vorgesehen sind und von der äußeren oder der inneren Hülse einen-Abstand haben, der mindestens gleich dem Betrag der normalen statischen

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Auslenkung der Lagerbüchse unter Belastung Ist, jedoch nicht größer als der doppelte Betrag dieser Auslenkung.
8. Lagerbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Rings (kO) zwischen 5 % und 10 % der Ge samt breite der äußeren Hülse (34-) liegt.
9. Lagerbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (40) aus einem Polyurethanelastomer auf Polyätherbasis besteht.

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