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Die
Erfindung betrifft allgemein elastomere Lager und genauer ein Lagersystem,
das in der Lage ist, einer hohen Kompressionslast standzuhalten, wodurch
eine Drehbewegung um eine Achse im Wesentlichen senkrecht zu dieser
Last möglich
ist. Die Erfindung kann insbesondere auf einen Helikopterrotorkopf
angewendet werden, um den Propellerblättern den nötigen Schlag-Freiheitsgrad
zu verleihen.
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Ein
wesentliches Bauteil eines Helikopters ist die Hauptrotornabe. Sie
sorgt für
eine Befestigung der Rotorblätter
während
des Betriebs. Drehkraft wird auf die Hauptrotornabe übertragen,
damit die Rotorblätter
sich schnell drehen, um einen aerodynamischen Auftrieb zu erzeugen.
Die Hauptrotornabe muss eine Drehbewegung der Rotorblätter in
der vertikalen (Schlag-), horizontalen (Vorlauf/Nachlauf-) und axialen
(Steigungs-)Richtung nahe der Befestigung der Rotorblattwurzel an
der Nabe erlauben, um eine Flugsteuerung und dynamische Stabilitätsregelung
zu ermöglichen.
Hauptrotornabensysteme, die diese Bewegungen mit diskreten Gelenkmechanismen
ermöglichen,
werden als vollgelenkige Naben bezeichnet. Bei allen Verbesserungen
des Helikopters wurde immer auch versucht, Drehfreiheit für Lagersysteme
zu schaffen, die hohe Belastungen und oszillierende Bewegungen mit
großer
Amplitude unter hohen Schubbelastungen, die durch die Zentrifugalkraft
der rotierenden Blätter
erzeugt werden, bewältigen
können.
In der Vergangenheit wurde komplizierte mechanische Kugel- oder
Zylinderlager verwendet, um dem Rotorblatt den nötigen Freiheitsgrad zu verschaffen;
solche Lager erfordern eine teure Wartung und versagen plötzlich.
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Um
diese Einschränkungen
zu überwinden, wurden
elastomere Lager entwickelt, die zum Industriestandard wurden für die Bewältigung
von Vorlauf/Nachlauf-, Steigungs- oder Schlagbewegungen oder Kombinationen
davon in gelenkigen Nabensystemen. Diese Lager sind aus einem Metall/Elastomer-Schichtmaterial
aufgebaut, das eine Scherkomplianz im Elastomer und Dreh- (z.B.
Schlag-)Freiheit ermöglicht,
während
es radialen Zentrifugalkräften bei
der Kompression entgegen wirkt. Solche Lager verringern die mechanische
Komplexität
des Rotorkopfs, sind im Wesentlichen wartungsfrei, nutzen sich allmählich ab
und können
leicht inspiziert werden, so dass sie ausgetauscht werden können, bevor sie
versagen.
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Elastomere
konische Lager, die beispielsweise aus
US-Patent Nr. 4,435,097 bekannt sind, werden
in Lagersystemen fürr
Helikopterrotorsysteme verwendet, um die Bewegung der Rotorblätter zu ermöglichen.
Die Lagersysteme sind axial vorbelastet, um zu verhindern, dass
die konischen Lagerelemente einer resultierenden übermäßigen Zugspannung
innerhalb der Gummischichten ausgesetzt werden.
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Derzeit
werden monodirektionale oder „mono-bloc"-Lagerelemente an
jeder Befestigungsstelle der Hauptrotornabe verwendet, wie deutlich
in der nachstehend beschriebenen 1 dargestellt
ist.
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US-Patent Nr. 6,413,048 offenbart
eine Rotornabe, die ein Paar einfacher konischer Lager für jedes
Rotorblatt verwendet. Ein solches Lager hat eine sehr hohe radiale
Steifigkeit und Beständigkeit gegen
radiale Kompressionskräfte
und kann gleichzeitig eine Drehbewegung um seine Achse leicht bewältigen,
wie es für
den vorliegenden Zweck wünschenswert
ist. Jedoch muss die Rotornabe der axialen Kompressionsvorbelastung
entgegen wirken, was eine erhebliche Belastung in ihrem zentralen Körper induziert.
Wenn das Lager aufgrund eines Anstiegs der Betriebstemperatur und
interner Energiestreuung erwärmt
wird, nimmt die Belastung, die auf die Nabe übertragen wird, noch weiter
zu, und dies kann für
den Aufbau kritisch werden.
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Um
diesen Hauptnachteil des einfachen konischen Lagerelements zu überwinden,
nennt die US-Patentanmeldung 2003/0068104 die Verwendung von vorbelasteten
Lageruntergruppen, die aus einem Paar konischer Elemente bestehen,
die Rücken
an Rücken
angeordnet sind (Chevron-Lager). Auf diese Weise wird der Vorbelastung
und der extra Belastung, die durch die Wärmeausdehnung induziert werden,
insgesamt innerhalb der Unterbraugruppe entgegengewirkt und es findet
keine Übertragung
auf die Rotornabe statt. Jedoch hängen die Steifigkeit eines
elastomeren Elements und die Dehnung, die von einer bestimmten Last
induziert wird, vom so genannten „Form faktor" ab, d.h. von dem Verhältnis zwischen
dem gehaltenen Bereich (wo das Elastomer an eine Metallschicht gebunden
ist) und dem freien (oder „Wulst") Bereich, wie auf
dem Gebiet der Gummitechnik bekannt ist. Aus dem Dokument
US 2003/0068104 geht
hervor, dass der Wulstbereich eines Chevron-Elements etwa dem Doppelten
eines einzelnen konischen Lagers mit der gleichen Umhüllung, das
aus einem äquivalenten
laminierten elastomeren Element besteht, das sich nur durch seine
Länge (axiale
Dimension) unterscheidet, entspricht, daher ist seine Steifigkeit
entsprechend niedriger und die Dehnung, die von der radialen Last induziert
wird, nimmt erheblich zu. Infolgedessen erweist sich die Standzeit
eines solchen Lagers regelmäßig als
zu kurz.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, ein wartungsarmes elastomeres
Lagersystem mit langer Standzeit zu schaffen, um dadurch die Nachteile
des oben beschriebenen Standes der Technik zu überwinden.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung eines elastomeren Lagersystems,
das Folgendes aufweist: ein erstes und ein zweites elastomeres Lagerelement,
die an den entgegengesetzten Seiten eines Verbindungsbolzens bzw.
Holms befestigt sind, wobei das erste elastomere Lagerelement vom
einfachen konischen Typ ist und ein starres Außengehäuse mit einer einzigen stumpf-verjüngten Innenfläche, ein
starres Innengehäuse
mit einer einzigen stumpf-verjüngten
Außenfläche und
einen federelastischen bzw. Federungskörper zwischen der einzigen stumpf-verjüngten Innenfläche und
der einzigen stumpf-verjüngten
Außenfläche aufweist;
und wobei das zweite elastomere Lagerelement aus einer Chevron-Untergruppe
besteht, die zwei einander entgegengesetzte kegelförmige elastomere
Lagerelemente aufweist, die jeweils ein eigenes Innengehäuse und
einen eigenen federelastischen Körper
aufweisen und die ein Außengehäuse mit
einer doppelkegeligen Innenfläche
aufweisen, wobei die Innengehäuse
durch Befestigungselemente aneinander befestigt sind.
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Der
Ausdruck „stumpf-verjüngt" bezieht sich in
erster Linie auf kegelstumpfartige Oberflächen, aber allgemeiner auch
auf Oberflächen
mit einem verkürzten
Längsschnitt
und einer Form, die im Wesentlichen an einen verkürzten Kegel
erinnert. Solche Ober flächen
können
beispielsweise Sektionen von kugeligen (oder elliptischen) Oberflächen sein, die
zwischen zwei Parallelen der gleichen Hemisphäre enthalten sind. Die „verjüngten Oberflächen" müssen nicht
rotationssymmetrisch sein.
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Unter
Betriebsbedingungen ist das Außengehäuse jedes
der ersten und zweiten elastomeren Lagerelemente in einen starren
Träger
eingepasst, bei dem es sich beispielsweise um die Nabe eines Rotors
handeln kann.
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Vorteilhafterweise
bestehen die federelastischen Körper
des ersten und eines zweiten elastomeren Lagerelements aus einem
Metall/Elastomer-Schichtmaterial.
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Vorteilhafterweise
lässt die
Scherelastizität der
ersten und zweiten elastomeren Lagerelemente eine Drehbewegung des
Holms um seine eigene Achse zu.
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Eine
typische Anforderung in Helikopteranwendungen ist, dass die Amplitude
der Drehbewegung eine Peak-zu-Peak-Amplitude von bis zu 30 ° erreichen
kann.
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Da
Elastomere und laminierte Materialien einer Kompression besser standhalten
können
als einer Traktion bzw. einem Zug, werden die ersten und zweiten
elastomeren Elemente vorteilhafterweise durch eine axiale Vorlast
komprimiert, deren Größe in einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bei 3800 kgf oder mehr liegt, und vorteilhafterweise zwischen
3800 kgf und 6800 kgf liegt.
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Vorteilhafterweise
wird die Last, die durch die Wärmedehnung
der elastomeren Körper
des zweiten elastischen Lagerelements induziert wird, durch die Befestigungselemente,
die die Innengehäuse
miteinander verbinden, intern kompensiert.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Befestigung
eines elastomeren Lagersystems, das Folgendes umfasst:
- – Bereitstellen
eines elastomeren Lagersystems wie oben beschrieben; und
- – Befestigen
des elastomeren Lagersystems an einer Stelle, wo während des
Betriebs eine radiale Kraft, die senkrecht zur Achse des Holms gerichtet
ist, und ein Drehmoment, das senkrecht zu sowohl der Achse des Holms
als auch zur radialen Kraft gerichtet ist, auf den Holm wirken,
wodurch der Holm auf die ersten und zweiten elastomeren Lagerelemente
verschiedene radiale Kräfte überträgt, und
wobei die radiale Last, der das erste elastomere Lagerelement ausgesetzt
wird, größer ist
als diejenige, der das zweite elastomere Lagerelement ausgesetzt
wird. Dadurch kann man sich die mechanischen Eigenschaften des Lagersystems
der Erfindung voll zunutze machen.
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In
typischen Fällen
liegt die radiale Last, der das erste elastomere Lagerelement ausgesetzt
wird, zwischen 27000 und 50000 kgf. Die radiale Last, der das zweite
elastomere Lagerelement ausgesetzt wird, liegt zwischen 40 % und
60 % der Last, der das erste elastomere Lagerelement ausgesetzt
wird.
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Eine
axiale Kraft kann ebenfalls an den Holm angelegt werden und auf
die elastomeren Lagerelemente übertragen
werden. Die Größe dieser
axialen Kraft liegt in der Regel zwischen 1300 kgf und 4100 kgf.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist eine Rotornabenanordnung, die Folgendes
aufweist: einen zentralen Nabenkörper
und eine Vielzahl von radial verlaufenden Wellen, von denen jede
ein Rotorblatt mit dem zentralen Nabenkörper verbindet; wobei jede dieser
radial verlaufenden Wellen durch ein elastomeres Lagersystem, wie
vorstehend beschrieben, mit dem zentralen Nabenkörper verbunden ist, mit dem
ersten elastomeren Lagerelement an der Vorlaufseite befestigt ist
und mit dem zweiten elastomeren Nabenkörper an der Nachlaufseite befestigt
ist, wodurch die radiale Last, der das erste elastomere Lagerelement
ausgesetzt wird, größer ist
als diejenige, der das zweite elastomere Lagerelement ausgesetzt
wird.
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Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung in Zusammenschau mit der begleitenden Zeichnung
deutlich, worin:
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1 eine
isometrische Darstellung einer gelenkigen Nabenanordnung ist, die
elastomere Lager verwendet;
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2 eine
schematische Darstellung eines Beispiels für ein Lagersystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und
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3 die
Wirkung der Wärmedehnung
auf das Lagersystem von 2 zeigt.
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1 stellt
eine gelenkige Nabenanordnung 100 dar, die eine Vielzahl
von Rotoranordnungen 103 einschließt, die radial an einem zentralen
Nabenkörper
bzw. Nabenmittelgehäuse 101 befestigt
sind; damit die Figur übersichtlicher
ist, ist hier nur eine Rotoranordnung dargestellt. Die gelenkige
Nabenanordnung 100 ist so ausgelegt, dass sie eine Schlagbewegung
der Rotorblätter
zulässt
und steuert. Andere Lager oder Buchsen (nicht dargestellt) werden optional
verwendet, um eine Steig- und Vorlauf/-Nachlauf-Bewegung zu ermöglichen.
Die Rotoranordnung 103 weist einen Verbindungsbolzen bzw.
Holm 105 auf, der eine radial verlaufende Welle 106 trägt, die
ein Rotorblatt mit dem zentralen Nabenkörper 101 verbindet, üblicherweise
durch zusätzliche
mechanische Elemente, wie die genannten Lager oder Buchsen (nicht
dargestellt). Der Holm 105 ist ein im Wesentlichen zylindrisch
geformtes Element mit einem Paar radial entgegengesetzter Lagerzapfen 107a b
an beiden Enden; jeder Lagerzapfen is dafür ausgelegt, an der Lagerbefestigung 109 befestigt
zu werden. Die Lagerbefestigung 109 weist zwei Paar radial
verlaufender Lagerflansche 111a, b auf, die jeweils ein
elastomeres Lagerelement 113a, b enthalten. Die Lagerelemente
müssen
der zentrifugalen Kraft in Y-Richtung, die durch die Drehung des
Rotors erzeugt wird, standhalten und gleichzeitig eine Drehbewegung
um die X-Achse (ein Schlagen) zulassen.
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Im
Folgenden bezeichnet „Lagerbefestigung" die beiden Lagerflansche 111a,
b zusammen mit den entsprechenden Lagerelementen 113a,
b, während „Lagersystem" die beiden Lagerelemente 113a,
b mit dem Holm 105 bezeichnet.
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2 zeigt
einen Abschnitt in der XY-Ebene der Lagerbefestigung 109 von 1,
die entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung implementiert
wurde. Anders als im Stand der Technik weist die Lagerbefestigung 109 eine
asymmetrische Struktur auf: das vorlaufseitige Lagerelement 113a ist vom
einfachen konischen Typ, während
das nachlaufseitige Lagerelement 113b ein Winkel- bzw.
Chevron-Design aufweist (der Pfeil R zeigt die Drehrichtung des
Rotors an). Dies ist günstig,
weil die radiale (Y) Last auf den beiden Seiten nicht gleich ist.
Wie in der Figur gezeigt, ist zwar die Zentrifugalkraft FC symmetrisch, aber aerodynamische Gesetze
und das Rotor-Design
induzieren ein Drehmoment M an der Lagerbefestigung. Dieses Drehmoment
wirkt sich so aus, dass die radial Belastung des vorlaufseitigen
Lagers 113a erhöht
wird und diejenige des nachlaufseitigen Lagers 113b verringert
wird. Eine einfache Berechnung zeigt dies: FRvorlauf = FC/2 +
M/D FRnachlauf =
FC/2 – M/Dwobei
FRvorlauf und FRnachlauf die
radiale Belastung des vorlaufseitigen bzw. nachlaufseitigen Lagers
sind, und D der Abstand zwischen den elastomeren Lager ist.
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Die
Lager müssen
auch aufgrund des Luftwiderstands gegen die Drehung der Rotorblätter (FT) einer axialen Last standhalten: dies verhindert
die Verwendung von zylindrischen Lager, die nicht genügend Steifigkeit
aufweisen würden.
Die axiale Belastung des vorlaufseitigen (einfachen konischen) Lagerelements
wird in 2 mit FTa bezeichnet
und diejenige des nachlaufseitigen (Chevron-)Lagerelements wird
mit FTb bezeichnet: diese Lasten können im
Allgemeinen verschieden sein, abhängig von der axialen Steifigkeit
der Lagerelemente, und ihre Summe ist gleich FT.
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Als
Folge davon wird die Kompressionslast insgesamt ungleich auf die
beiden Lagerelemente verteilt: auf der Nachlaufseite ist sie geringer
als man erwartet würde,
wenn nur die Zentrifugalkraft betrachten würde, so wie es beim herkömmlichen
Planungsverfahren der Fall ist. Dadurch ist auf dieser Seite die
Verwendung eines Chevron-Lagerelements, das die Belastung der Rotornabe 101 verringert,
möglich.
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Das
einfache konische Lager 113a besteht aus einem starren
Außengehäuse 201 mit
einer konischen Innenfläche,
das am Lagerflansch 111a befestigt ist, einem starren Innengehäuse 203 mit
einer konischen Außenfläche, das
am Lagerzapfen 107a des Holms befestigt ist, und einem
federelastischen Körper 205 zwischen
den konischen Innen- und Außenflächen. Während die
Gehäuse 201 und 203 in
der Regel aus Metall, z.B. Stahl, gefertigt werden, ist der federelastische
Körper
ein geschichtetes Verbundmaterial, das aus einer Abfolge von konischen Schichten
aus Stahl (oder einem anderen Metall) und Gummi besteht. Die axiale
Kompressionsvorbelastung (die positiv zur X-Achse gerichtet ist) wird über die
Flansche 111a, b und den Holm 105 auf den federelastischen
Körper übertragen.
Die Wärmeausdehnung
des Gummis induziert eine zusätzliche Last,
die zu den Vorbelastungen hinzukommt und dazu tendiert, die Flansche 11a und 111 zusammenzubringen.
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Die
Chevron-Untergruppe
113b besteht aus zwei konischen Elementen,
die Rücken
an Rücken angeordnet
sind, wobei ihre kleineren Basen einander zugewandt sind (die umgekehrte
Anordnung ist auch möglich),
wobei sie jeweils ein eigenes Innengehäuse (
223 und
224)
und einen eigenen elastomeren Körper
(
225 und
226) und ein Außengehäuse
221 mit einer
doppelt-konischen Innenfläche
aufweisen. Die Innengehäuse
sind mittels Bolzen
230 miteinander verbunden, die verwendet
werden können,
um eine interne Vorbelastung an die elastomeren Körper anzulegen.
Im Falle des Dokuments des Standes der Technik
US 2003/0068104 ist die Vorbelastung
vollständig
intern, aber in der vorliegenden Einrichtung wird die Chevron-Untergruppe
113b zumindest
teilweise durch die Flansche
111a-b und den Holm
105 vorbelastet.
Die thermisch induzierte Last wird jedoch durch Bolzen
230 intern
kompensiert und nicht auf die Nabe
101 übertragen.
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Die
Wirkung der Wärmedehnung
wird mit Bezug auf 3 deutlicher. Eine Wärmedehnung des
elastomeren Körpers
des konischen Lagerelements 113a induziert eine Last FTha, die auf den Holm 105, der unter
Zug gesetzt wird, und auf den Flansch 111a übertragen
wird. Die Chevron-Lageruntergruppe erzeugt eine thermische Belastung
FThb, die wegen der geringeren Steifigkeit
des Chevron-Lagers im Vergleich mit dem einfachen Konischen um etwa 40
% niedriger ist als FTha, aber intern kompensiert wird.
Die Last FTha wird über den Holm 105 auf
den Flansch 11b übertragen:
als Ergebnis ist die Kraft, die auf die einzelnen Flansche wirkt
und diese zusammenbringen will, gleich FTha und
geht nur auf den Beitrag des konischen Lagerelements 113a zurück. Das einfache
konische Lagerelement 113a könnte auch mit der entgegengesetzten
Ausrichtung befestigt worden sein (mit einer nach außen gerichteten
kleinen Basis des Innengehäuses).
In diesem Fall wären die
Vorbelastung und die Wärmebelastung
umgekehrt.
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Die
elastomeren Lagerelemente 113a und 11b werden
entsprechend den in der Technik bekannten Verfahren so ausgelegt,
dass sie den Anforderungen an radiale, axiale und torsionale Steifigkeit, an
Standzeit und maximale Wärmebelastung,
die durch das konische Lager in die Nabe 101 eingebracht
wird, gerecht werden. In der vorliegenden Anmeldung müssen die
beiden elastomeren Lager, obwohl sie von verschiedenen Typen sind, ähnliche Steifigkeitseigenschaften
haben.
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Der Übersichtlichkeit
halber wurde in der vorangehenden Beschreibung immer ein bestimmter Rotornabenaufbau
betrachtet. Das Lagersystem der vorliegenden Erfindung soll jedoch
auf verschiedene Rotornaben-Designs und andere Anwendungen auch
außerhalb
des Feldes der Helikopter anwendbar sein, beispielsweise auf Windkrafterzeuger.
Allgemeiner kann die Lehre der vorliegenden Erfindung mit Vorteil
auf jeden mechanischen Aufbau angewendet werden, wann immer es nötig ist,
ein Lagersystem zu schaffen, das in der Lage ist, einer hohen Kompressionskraft,
die ungleichmäßig auf
die beiden Lagerelemente verteilt wird, standzuhalten, wodurch eine
Drehbewegung um eine Achse, die etwa senkrecht zu der Last steht,
möglich
ist, und insbesondere wenn eine Wärmeausdehnung berücksichtigt
werden muss.
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In
der obigen Beschreibung wurden nur Lager betrachtet, die aus Metall/Elastomer-Schichtmaterial
bestehen. Das Metall soll jedoch durch jedes geeignete steife Material
ersetzt werden können,
wie Polymer (Kevlar®) oder Keramik. Das Gleiche
gilt für das
Innen- und Außengehäuse, den
Holm und die Flansche.
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Die
Lager wurden als „konisch" beschrieben, um
einer axialen Last standhalten zu können, aber dies sollte nicht
im streng geometrischen Sinn aufgefasst werden. Wichtig ist, dass
die Metall/Elastomer-Schichten weder parallel zum Holm (zylindrische Lager
mit einer niedrigen axialen Steifigkeit), noch senkrecht dazu (in
welchem Falle die Lager keiner radialen Last standhalten könnten) sind.
Lager, deren Schichten einen verkürzten Längsschnitt aufweisen, insbesondere
solche, die aus Abschnitten kugeliger Oberflächen bestehen, und die immer
noch an die Form eines Kegelstumpfs erinnern, sind im allgemeinen
Ausdruck „verjüngte Lager" eingeschlossen.
Die Lager können
drehsymmetrisch sein, wie im oben erörterten Beispiel: dies bedeutet,
dass die Steifigkeit in allen radialen Richtungen gleich ist. In
manchen Anwendungen könnte
es jedoch günstig
sein, ein anisotropes Verhalten einzuführen. Beispielsweise kann die
Umhüllung
eines Lagers durch die Vereinigung von zwei 120 °-Abschnitten einer zylindrischen
Oberfläche
gebildet werden: das Ergebnis ist eine Steifigkeit, die von der
radialen Richtung abhängt.