DE2913120A1 - Lager zur aufnahme von kompressivlasten - Google Patents
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Description
Patentanwälte D i ρ 1 -1 η g. Cu rt Wallach
Dipl.-Ing. Günther Koch
2913120 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
^ -7 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d
Datum: 20 April 1979
Unser Zeichen: 16 530 -
Anmelder: Barry Wright Corporation
Pleasant Street
Watertown, Massachusetts
USA
Watertown, Massachusetts
USA
Bezeichnung: Lager zur Aufnahme von Kompressivlasten
4 0/0902
Die Erfindung bezieht sich auf Lager zur Abstützung von Kompressivbelastungen und insbesondere auf laminierte Lager,
die abwechselnd Schichten aus elastischem Material, beispielsweise einem Elastomer, und nicht-streckbarem Material,
beispielsweise Metall, aufweisen.
Es ist bekannt, daß durch Anordnung nicht-streckbarer Materialschichten
zwischen Schichten elastischen Materials (1) die Abstützungskapazität hinsichtlich Kompressivbelastung
vergrößert wird (im Hinblick auf Kompressivbelastungen, die in einer Richtung senkrecht zu den Schichten aufgebracht
wird), (2) die Tragfähigkeit und Kompressivelastizität des elastischen Materials abfällt und (3) eine
geringe Wirkung hinsichtlich der Fähigkeit des elastischen Materials besteht, Scherbelastungen oder Torsionsbelastungen
in Richtung der Schichten aufzunehmen.
Dieses Konzept des Lageraufbaus findet eine weite wirtschaftliche Ausbreitung infolge der Fähigkeit dieser laminierten
Lager, relativ große Kompressivbelastungen abzustützen, die im wesentlichen senkrecht zu den Schichten
auftreten, während gleichzeitig das Lager relativ weich ist in bezug auf Scherwirkung und/oder Torsionswirkung in
Richtung der Schichten, so daß eine leichte Anpassung an eine Relativbewegung in diesen Richtungen möglich ist. In
diesem Zusammenhang wird auf die US-PS 2 05I 864,
2 068 279, 2 069 270, 2 126 707, 2 267 312, 2 900 182,
3 179 400, 3 539 170, 3 652 185 und 3 679 197 verwiesen.
Dieses allgemeine Konzept der Schichtenanordnung des
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Lagers kann bei einer Vielzahl von Lagerausgestaltungen Anwendung finden, die sich in ihrem. Aufbau im einzelnen im
Hinblick auf die zu erwartenden Kompressivbelastungen unterscheiden und die aufzunehmenden Relativbewegungen, und
viele Lager sind so aufgebaut, daß die abwechselnden Schichten elastischen Materials und nicht-ausdehnbaren Materials
als Oberflächen einer Umdrehung um eine gemeinsame Zentralachse angeordnet sind, wobei aufeinanderfolgende
Schichten mit sich sukzessiv vergrößerndem Radius von der Achse angeordnet sind. Diese Ausbildungen umfassen:
(1) zylindrische Abschnitte, wie z. B. in der US-PS 3.679 197 dargestellt; (2) konische Abschnitte, wie beispielsweise
in der US-PS 3 652 185 dargestellt; (3) sphärische
Abschnitte, wie beispielsweise in der US-PS 3 679 197 vorgeschlagen, und (4) irgendwelche anderen Abschnitte,
die durch Rotation einer Linie oder Kurve um eine gemeinsame Zentralachse entstanden sind.
Wenn jede Schicht aus elastischem Material bei einem solchen laminierten Lager eine gleiche Dicke, Länge und einen
gleichen Elastizitätsmodul aufweist, führt eine zyklische Torsionsbewegung bei längerem Lauf eines solchen Lagers zu
einem Ausfall, der insbesondere durch die Ermüdung der am meisten innen liegenden Schichten bedingt ist, d. h. gener
Schichten, die der gemeinsamen Zentralachse am nächsten liegen. Demgemäß wird die Lebensdauer eines solchen Lagers
im typischen Fall durch die Beanspruchungen und Belastungen bestimmt, die in der am weitesten innen liegenden
Schicht während der Benutzung auftreten.
Dies kann grundsätzlich besser verstanden werden, wenn man sich vergegenwärtigt (dies ist allgemein bekannt und kann
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auch aus der US-PS 3 679 197 abgeleitet werden), daß die
Beanspruchung, die von irgendeiner elastischen Schicht eines elastomeren Lagers bei einer gegebenen Torsionsbela
stung auftritt, eine inverse Punktion des Produktes der wirksamen Oberfläche (A) ist, die die Kompressivlast
trägt, welche senkrecht zur Oberfläche aufgebracht wird, und dem Durchschnittsradius (E) von der gemeinsamen Mittelachse
nach der Oberfläche des Lagers sowie dem Elastizitätsmodul (G) des elastischen Materials. Allgemein ergibt
sich:
■\ (1) Beanspruchung =
Dabei ist K eine Eonstante.
Außerdem ist der Formfaktor (Si1) jeder Schicht elastischen
Materials durch das Verhältnis von (1) der wirksamen Oberfläche, die die Kompressivlast trägt und senkrecht zur
Oberfläche aufgebracht wird, und (2) der kraftfreien Fläche definiert, d. h. der Fläche, die sich bewegen kann,
wenn eine Kompressivlast auf die lasttragende Oberfläche aufgebracht wird. Der Formfaktor ist allgemein ein Maß der
Möglichkeit der Schicht elastischen Materials, sich einer Kompressivbelastung anzupassen. Je größer der Formfaktor
einer bestimmten Schicht ist, desto größer ist seine Fähigkeit, Kompressivbelastungen aufzunehmen. Wenn beispielsweise
das Lager aus einem zylindrischen Abschnitt besteht, dann ist die Lastträgerfläche (LA) jeder elastischen
Schicht die Projektion oder wirksame Fläche der Schicht, wenn die Schicht in Richtung der aufgebrachten
Last betrachtet wird. Bei einer radial aufgebrachten Last
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ist die lasttragende Fläche rechteckig und kann wie folgt
"bestimmt werden:
(2) IA = 2EL
Dabei ist R der äußere Radius der Schicht,von der gemeinsamen
Achse nach der äußeren konvexen Oberfläche der Schicht gemessen, und
L die Länge der Schicht.
Die kraftfreie Oberfläche (BA) ist jener Abschnitt der Endoberflächen, die unter Kompression stehen. Wenn eine
Radialkraft aufgebracht wird, dann steht eine Hälfte des Umfangs eines jeden Endes unter Kompression, so daß die
lastfreie Fläche wie folgt bestimmt wird:
(3) BA = 2 7TRtr
Dabei ist R der äußere Radius der Schicht, gemessen von
der Zentralachse nach der äußeren konvexen Oberfläche der Schicht, und
tr die Dicke der Schicht.
Der Formfaktor einer solchen Schicht vereinfacht sich demgemäß zu:
Wenn man sich die Gleichungen (1) und (4-) vergegenwärtigt,
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dann leuchtet ein, daß bei einem zylindrischen laminierten Lager, bei dem jede Schicht aus elastischem Material aus
dem gleichen Werkstoff besteht und den gleichen Elastizitätsmodul, gleiche Länge (L) und gleiche Dicke (tr) aufweist,
der Formfaktor SF sich von Schicht zu Schicht nicht ändert, aber die Beanspruchung, der die innerste Schicht
ausgesetzt ist, wird größer als die Beanspruchung der äußeren Schichten, weil die inneren Schichten einen geringeren
Radius (R) besitzen und demgemäß eine kleinere lasttragende Oberfläche A. Anders ausgedrückt heißt dies, daß
das Produkt RAG für die innere Schicht kleiner ist und daß demgemäß die Belastung größer wird als bei einem Produkt
RAG einer Schicht, die in einem größeren Radiusabstand von der Achse liegt.
Eine Lösung dieses Ermüdungsproblems wird in der US-PS 3 679 197 vorgeschlagen. Insbesondere schlägt diese Patentschrift
vor, die Elastizitätsmodulen jeder Schicht so zu ändern, daß die Beanspruchung über jeder Schicht bei
gegebener Torsionsbelastung etwa gleich wird, um zu gewährleisten, daß die Beanspruchung der äußeren Schichten
gleich oder annähernd gleich der Beanspruchung der inneren Schichten wird. Insbesondere wird für ein laminiertes Lager
zylindrischen Querschnitts und mit der Länge (L) das Verhältnis der Beanspruchung über einer Schicht η bei
einer gegebenen Torsionsbelastung zu der Belastung über einer Schicht a gleich (beide Belastungen werden gleich
gemacht), so daß aus der Gleichung (1) folgendes abgeleitet werden kann:
J-S: - Ra Aa Ga _ 2.7t- RaL Ra Ga _ Λ
ea ~ Rn An Gn ~ Zrr RnL Rn Gn "
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- pr-
Dies reduziert sich zu:
Demgemäß stellt die US-PS 3 679 197 fest, daß die Beanspruchung
über der Schicht η und der Schicht a gleich wird, wenn sich die Elastizitätsmodulen invers zum Quadrat
des mittleren Radius der Jeweiligen Schichten ändern. Obgleich dies nicht belegt ist, wird in der Analyse dieser
Patentschrift darauf hingewiesen, daß es außerdem vorteilhaft ist, die Dicke der Schichten elastischen Materials
mit sich vergrößerndem Radius progressiv zu vergrößern. Durch progressive Vergrößerung der Dicke der Schichten
elastischen Materials mit zunehmendem Radius wird als Yorteil angegeben, daß mehr elastisches Material radial innerhalb
des gleichen Raumes angeordnet werden kann, wobei die Kompressivbeanspruchungen in den elastischen Schichten
innerhalb zulässiger Grenzen bleiben. Die genannte TJS-PS geht demgemäß davon aus, daß die vergrößerte Menge elastischen
Materials in vorteilhafter Weise die Scherbeanspruchungen
und die Torsionsbeanspruchungen verteilt, um die Lebensdauer zu verbessern und um die Zahl nicht ausdehnbarer
Schichten zu vermindern, um das Gesamtgewicht und die Herstellungskosten zu erniedrigen. So läßt sich aus der
TJS-PS der Schluß ableiten, daß eine optimale Lagerausbildung dann erreicht werden kann, wenn mit zunehmendem Radius
die Dicke jeder elastischen Schicht ansteigt und zugleich progressiv der Elastizitätsmodul der Schichten abnimmt.
Dieser nach der TJS-PS 3 679 197 bekannte Lageraufbau
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ergibt jedoch, zahlreiche Herstellungsprobleme. Dadurch,
daß der Elastizitätsmodul der Schichten des elastischen Materials geändert werden muß, ergibt sich eine erhöhte
Herstellungszeit sowie erhöhte Kosten, die unter anderem herrühren (1) von der Prüf zeit für das jeweils zur Verwendung
kommende Material im Hinblick auf den speziellen Elastizitätsmodul; (2) infolge der Tatsache, daß eine Mater
ialkalendrierung erforderlich ist; (3) durch die Forderung, daß das Lager dadurch zusammengebaut werden muß,
daß jede elastomere Schicht getrennt aufgebracht wird, was im typischen Falle durch Hand geschehen muß; (4) es ergibt
sich eine erhöhte Gefahr einer Metallverunreinigung, was von der Handfertigung herrührt; (5) es ergibt sich
ein kumulativer Effekt von Steifheitstoleranzen, die eine vorherrschende Wirkung im Hinblick auf die Gesamtsteifheit
des Lagers haben können und daher schwerwiegender Auswirkungen, als wenn nur ein Material mit dem gleichen Elastizitätsmodul
benutzt wird; (6) schließlich ergibt sich eine nicht-lineare Veränderung der Beanspruchungsempfindlichkeit,
die von der Veränderung der Elastizitätsmodulen der verschiedenen elastomeren Werkstoffe herrührt.
Zum zweiten ergibt sich aus der Gleichung (4), daß durch progressive Vergrößerung der Dicke jeder Schicht bei zunehmendem
Radius eine entsprechende Verringerung des Formfaktors jeder Schicht resultiert. Dadurch wird wiederum
die Fähigkeit jeder Lage mit ansteigendem Radius vermindert, die Kompressivlasten entsprechend aufzunehmen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes laminiertes Lager zu schaffen, das die erwähnten
Probleme und Nachteile bekannter Lager vermeidet. Insbe-
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sondere soll ein verbessertes laminiertes, aus elastomeren
Schichten bestehendes Lager geschaffen werden, bei welchem
die Beanspruchungen und Belastungen, die von jeder Schicht elastischen Materials getragen werden, im wesentlichen
gleich sind.
Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines verbesserten elastomeren Lagers, bei welchem die elastomeren
Schichten aus einem einzigen Werkstoff mit gleichem Elastizitätsmodul gefertigt werden, wobei dennoch im wesentlichen
gleiche Beanspruchungen und Belastungen in jeder Schicht auftreten.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch ein laminiertes Lager mit abwechselnden Schichten elastischen Materials
und nicht-ausdehnbaren Materials, die konzentrisch um eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind, wobei erfindungsgemäß
die Länge und Dicke der Schichten elastischen Materials progressiv mit steigendem Radius von der Mittelachse
abfällt, wodurch die elastische Schicht unter Druck und Torsionsbelastung in gleicher Weise beansprucht wird
und wobei der Formfaktor mit ansteigendem Radius im wesentlichen gleich bleibt oder sich etwas erhöht.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der
Zeichnung zeigt einen Axialschnitt eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Lagers.
Lager gemäß der Erfindung werden am besten verständlich unter Bezugnahme auf die Analyse, die sich aus den Gleichungen
(1) und (4) ergibt.
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Im einzelnen ergibt sich in "bezug auf die Gleichung (1)
bei einem Lager zylindrischer Ausbildung:
(7) A = 27TEL
Dabei ist L die Länge einer jeden Schicht, und dann wird
die Gleichung (1):
Kp
(8) Belastung =
ITLG
Dabei ist Kp eine Konstante.
Dabei ist Kp eine Konstante.
Um ein Lager zu schaffen, bei welchem für alle Schichten des Lagers das gleiche Material Anwendung findet, d. h.
ein elastisches Material mit dem gleichen Elastizitätsmodul, wird G ein konstanter Faktor, so daß im Sinne einer
im wesentlichen gleichmäßigen Beanspruchung über sämtliche Schichten elastischen Materials die Gleichung (8) wie
folgt lautet:
(9) RL= konstant oder
L =
Dies gilt für sämtliche Schichten.
Es ist daher klar, daß die Länge (L) eine inverse !Punktion
des Quadrats des äußeren Hadius der elastischen Schicht ist, so daß die Länge mit steigendem Radius abnimmt.
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In gleicher Weise ist es zweckmäßig, daß der Formfaktor
jeder Schicht elastischen Materials entweder im wesentlichen konstant bleibt oder mit ansteigendem Radius vergrößert
wird, so daß die Kompressivbeanspruchung für alle elastomeren Schichten im wesentlichen gleich "bleibt. Wenn
der Formfaktor im wesentlichen konstant bleibt, dann wird die Gleichung (4):
(11) konstant ^ ίί_
indem die Gleichung (10) ersetzt wird;
konstant
<2=s
IT
tr nimmt auch mit steigendem Radius ab.
Die Zeichnung zeigt ein typisches Lager 10, das gemäß der
Erfindung ausgebildet ist und eine allgemein zylndrische
Gestalt mit kreisförmigem Querschnitt besitzt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, hat das Lager 8 eine Mittelachse 10
und weist einen inneren Laufring 12 auf, der eine nach
außen weisende konvexe Oberfläche 14· besitzt, und es ist ein äußerer Laufring 16 vorgesehen, der eine nach innen
weisende konkave Oberfläche 18 besitzt, die im radialen Abstand zu der konvexen Oberfläche 14- des Lauf rings 12
liegt. Zwischen den Oberflächen 14 und 18 der Laufringe
bzw. 16 sind abwechselnd Schichten 20 und Ausgleichsringe 22 aus elastischem Material festgelegt, beispielsweise ein
elastomeres und ein nicht-ausdehnbares Material, wie z. B. Metall. Jede der Schichten 20 und Ausgleichsringe 22 sind
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konzentrisch tarn die Mittelachse 10 herum und umeinander
gelegt, und jeäe Schicht 20 aus elastischem Material besitzt
einen gleichförmigen Elastizitätsmodul. Die Durchschnittslänge jeder Schicht 20 (d. h. die Länge, die durch
die Abmessung der Schicht parallel zur Achse 10 definiert ist) sowie die Dicke der Schichten 20 nimmt progressiv mit
sich vergrößerndem Radius, gemessen von der Mittelachse 10
ρ an, ab. Vorzugsweise bleibt das Produkt RL jeder Schicht
ρ 20 im wesentlichen konstant und auch das Produkt R tr bleibt im wesentlichen konstant oder steigt mit ansteigendem
Radius vom Mittelpunkt der Achse 10 an.
Wenn die Gleichung (10) erfüllt ist, dann werden im wesentlichen gleiche Scherspannungen von jeder Schicht 20
aufgenommen, wenn Torsionsbelastungen auf dem Lager 8 ruhen. Wenn dagegen die Gleichung (12) erfüllt ist, werden
im wesentlichen gleiche Kompressivlasten von jeder Schicht 20 getragen.
Gemäß der Erfindung hat ein Lager mit dem Aufbau gemäß der Zeichnung fünf Schichten 20, die sich mit Ausgleichsringen
22 abwechseln (diese haben eine Dicke von 0,254- mm), und diese Schichten haben folgende Abmessungen:
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Äußerer
Länge (L) Radius (R) Dicke (tr) Form-Lager mm (Zoll) mm (Zoll) mm (Zoll) faktor
1 42,72 (1,682) 21,56 (0,849) 0,76 (0,0300) 17,85
2 33,55 (1,557) 22,58 (0,889) 0,71 (0,0280) 17,70
3 36,55 (1,439) 23,55 (0,927) 0,64 (0,0250) 18,32
4 33,83 (1,332) 24,43 (0,962) 0,56 (0,0220) 19,272
5 31,29 (1,232) 25,25 (0,994-) 0,51 (0,0200) 19,607
Vie aus der vorstehenden Tatelle ersichtlich, nimmt die
Länge und Dicke jeder Schicht 20 mit ansteigendem Radius ab. Wenn man R L für jede Schicht "berechnet, findet man,
daß das Produkt für jede Schicht im wesentlichen konstant "bleibt, d. h. es liegt ungefähr zwischen 1,21 und 1,24,.
(bei Verwendung der Abmessungen in Zoll). Der Formfaktor bleibt, wie dargestellt, im wesentlichen der gleiche oder
er steigt mit sich vergrößerndem Radius etwas an. Wenn der Formfaktor im wesentlichen der gleiche bleibt, dann werden
die radialen Kompressivbelastungen in gleicher Weise durch alle Schichten getragen. Indem man den Formfaktor der äußeren
Schichten größer als den der inneren Schichten macht, werden die Kompressivbeanspruchungen der äußeren Schichten,
die von einer aufgebrachten Radialbelastung herrühren, vermindert.
Bei dieser Ausbildung des erfindungsgemäßen Lagers bestehen sämtliche Schichten 20 aus dem gleichen Material und
besitzen den gleichen Elastizitätsmodul. Infolgedessen werden Herstellungszeit und -kosten erniedrigt. Das Lager
8 kann auf einfache Weise, z. B. durch Spritzgußformung,
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hergestellt werden. Die Ringe 22 werden in ihrer richtigen relativen Lage in einer vorgeformten Form angeordnet und
ein elastomeres Material wird bis zum flüssigen Zustand aufgeheizt und in die Form eingegossen. Dann läßt man das
elastomere Material abkühlen, wodurch die Ringe 22 an den Schichten vorbestimmter Dicke und Länge festgelegt werden,
deren Abmessungen durch die Gleichungen (10) und (12) bestimmt werden.
Da das benutzte einzige elastomere Material den gleichen Elastizitätsmodul besitzt, ist eine durch Hand vorzunehmende
Auslegung des Lagers, wie es gemäß der TJS-ES. 3 679 19.7 unerläßlich ist, nicht erforderlich. Da außerdem
nur ein Werkstoff benötigt wird, werden die Prüfzeiten beträchtlich
vermindert, und es ist keine Kalandrierung erforderlich. Da die Arbeitszeit beträchtlich vermindert
wird, besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit der Verunreinigung metallischer Teile als bei reiner Handarbeit.
Durch Benutzung mehrerer elastomerer Werkstoffe in einem Lager kann sich eine ausgeprägtere Wirkung in Hinsicht auf
eine Gesamtlagersteifheit ergeben und es können sich nicht-lineare .Änderungen der Beanspruchungsempfindlichkeit
ergeben (jede Schicht könnte unterschiedlich auf eine aufgebrachte Last ansprechen), als wenn nur ein Werkstoff benutzt
wird, wie dies bei der Erfindung der Fall ist.
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Die Erfindung betrifft ein Lager zur Aufnahme von radialen
Eompressivbelastungen, bestehend aus abwechselnden miteinander verbundenen Schichten elastischen Materials mit
gleichförmigem Elastizitätsmodul, und Schichten nicht-ausdehnbaren
Materials, die sämtlich allgemein konzentrisch um eine mittlere gemeinsame Achse herum angeordnet sind.
Die Ermüdungsiebensdauer der Lager unter Torsionsbelastung
und unter Kompressionsbelastung wird dadurch verbessert, daß progressiv sowohl die Lange als auch die Dicke jeder
Schicht elastischen Materials mit zunehmendem Radius abnimmt, so daß eine im wesentlichen gleiche Beanspruchung
auf Jede Schicht elastischen Materials gemäß jeder Torsionsbelastung übertragen wird, wobei der Formfaktor
jeder elastischen Schicht im wesentlichen gleich bleibt oder mit zunehmendem Radius ansteigt.
909840/0902
Leerseite
Claims (3)
1. Lager zur Aufnahme von Kompressivlasten, bestehend aus
abwechselnden Lagen elastischen Materials und nicht streckbaren Materials, welche Schichten konzentrisch um
eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und Dicke der
elastischen Schichten progressiv mit sich vergrößerndem Radius abnimmt.
2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten elastischen Materials den gleichen Elastizitätsmodul
besitzen.
3. Lager nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn-
zeichnet, daß das Produkt R L für jede Schicht elastischen Materials im wesentlichen gleich ist, wobei R der
äußere Radius und L die axiale Länge jeder Schicht elastischen Materials ist.
Lager nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn-
2
zeichnet, daß das Produkt R tr für jeäe Schicht
zeichnet, daß das Produkt R tr für jeäe Schicht
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ORIGINAL INSPECTED
elastischen Materials im wesentlichen konstant ist oder
mit R ansteigt, wobei R der Außenradius und tr die Dicke jeder Schicht elastischen Materials ist.
Lager nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formfaktor jeder Schicht elastischen
Materials im wesentlichen konstant ist oder mit sich vergrößerndem Radius derart ansteigt, daß die Eompressivbeanspruchung
jeder Schicht elastischen Materials im wesentlichen konstant bleibt.
Lager nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formfaktor der äußersten Schichten
elastischen Materials größer ist als der Formfaktor der innersten Schichten elastischen Materials, derart, daß
die Kompressivbeanspruchung jeder Schicht elastischen
Materials im wesentlichen konstant bleibt.
Lager nach Anspruch 1 zur Abstützung radialer Kompressivbelastungen,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht elastischen Materials von der Achse in einem
äußeren Durchschnittsradius R im Abstand liegt und eine Durchschnittslänge L und eine Durchschnittsdicke tr besitzt,
wobei L und tr jeder Schicht mit sich vergrößerndem Radius R verkleinert werden.
909840/0902
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