WIE DIE GUMMI-SCHWINGUNGSDÄMPFER IHRE ELASTISCHEN EIGENSCHAFTEN VERLIEREN
EINLEITUNG
Dieser Artikel gilt für alle Gummi-Schwingungsdämpfer, unabhängig von der Marke oder dem Typ. Der Abnutzungsprozess der Elastomere findet in allen Lagertypen ähnlich statt.
Er analysiert die Gründe und den Abnutzungsprozess der elastomerischen Teile von Gummi-Schwingungsdämpfern. Wenn man weiss, wie und warum die elastischen Eigenschaften eines Lagers mit der Zeit schlechter werden, kann dieser Artikel helfen, wie man die Lebenszeit der Lager verlängern kann.
Wir fangen zuerst mit der Mechanik von Elastomeren an. Gummityp, Härte oder Farbe sind egal, weil alle Elastomere aus polymerischen Ketten bestehen. Die Bezeichnung Polymere kommt vom Griechischen “poli”, das heisst “viel” und “mer”, das heisst “Teile”. Naturgummi ist, wie andere Gummizusammensetzungen, ein Polymer, d.h. ein Molekül in Form einer langen Kette, das wiederholte Untereinheiten hat.
Bild 1: Zeichnung einer Untereinheit von Naturgummi.
Zum Vergleich kann man einen Teller mit einem Haufen verwickelter Spaghetti nehmen, der ein Polymer darstellt. Jede Spaghetti repräsentiert eine einzige Polymerkette. Die grosse Länge der Kette erlaubt Verwicklungen. Mit der Vulkanisierung kann sich eine Struktur mit Schwefelverbindungen entwickeln, die einzelne Polymerketten in einem treidimensionalen Netz verbindet. Die Ketten können sich jetzt dehnen, was ihnen erlaubt, Spannung auszuhalten und danach in den Originalzustand zurückzukehren. Zurück zu unserem Vergleich: Die losen Spaghettis werden zu einem Fischernetz, wie bei vulkanisiertem Gummi.
Bild 2: Zeichnung von Schwefelverbindungen zwischen grünen und blauen Naturgummiketten.
Damit kann man sagen, dass die Elastomere aus vielen Ketten bestehen, wie man auf dem folgenden Bild sehen kann.
Schwingungen können aus verschiedenen Gründen auftreten, z.B. Ungleichgewicht oder Fehlausrichtung von Achsen in drehenden Elementen, Vergrösserung wegen Resonanz mit der Drehungsfrequenz, usw. Diese Schwingungen erzeugen Spannungen im Gummi (siehe Video unten über einen Ermüdungstest):
Diese Belastung und Einfederung erzeugen eine Spannung in den Polymerketten des Gummis. Die Spannung des Systems wird in den folgenden Bildern gezeigt:
Im Laufen der Jahre müssen diese Polymerketten viele Spannungszyklen wegen Einfederung aushalten. Diese Ketten können abhängig von der Anzahl der Zyklen brechen.
Bild 3 zeigt eine Belastungs-Einfederungsgrafik für zwei Lager (ein neues und ein benutztes). Wie schon gesagt, verursacht die Spannung im Elastomer wegen dynamischer Belastungen und Schwingungen einen Bruch dieser Polymerketten. Deswegen hat das benutzte Lager weniger Ketten, um die gleiche Belastung auszuhalten. Das beeinflusst die Steifigkeit des Lagers negativ. Wie man sehen kann, wechselt die Einfederung des Lagers mit der Zeit von S1 zu S2. Das passiert, wiel die restlichen Ketten so viel wie möglich ausgehalten haben, aber sie haben sich mehr verformt.
Bild 3: Belastungs-Einferedungskurve für ein neues und benutztes Lager.
Hinsichtlich der Isolierungsseite muss man verstehen, dass die Steifigkeit der Lager für die Isolierung entscheidend ist. Aber was ist die Steifigkeit? Die Steifigkeit ist das Verhältniss zwischen Belastung und Einfederung. D.h. die erforderliche Belastung, um eine konkrete Einfederung zu bekommen. Die Steifigkeit wird durch eine braune gestrichelte Linie dargestellt, die den Anteil oder die Steigung der Kurve bei einer gegebenen Kraft (F1) anzeigt. Die Steifigkeit 0 ist die Steifigkeit eines neuen Lagers und die Steifigkeit 1 ist die Steifigkeit eines gebrauchten Lagers. Die Steifigkeit einer gebrauchten Schwingungsdämpfer ist größer als die einer neuen Schwingungsdämpfer.
Die Steifigkeit ist sehr wichtig für die Isolierung der gelagerten Maschinen. Sie bestimmt die Resonanzfrequenz des Systems. Je grösser die Steifigkeit der Lagerung ist, desto höher ist die Eigenfrequenz und desto geringer das Isolierungsniveau.
Bild 4: : Formel für die Eigenfrequenz (K ist die Steifigkeit der Lager und M ist die Masse des Motors).
Mit anderen Worten, selbst wenn sich das System mehr bewegt und mehr Elastizität zeigt, könnte man meinen, dass das System besser gegen Vibrationen isoliert ist, aber der Fall ist genau das Gegenteil, die Schwingungen sind höher als vorher.
ZUSAMMENFASSUNG
Der Abbau von Elastomeren findet in allen Gummiträgern statt, sein Abbau hängt direkt von den Lastwechseln und deren Größe ab. Der Abbau erfolgt durch den Verlust von Polymerketten. Je niedriger die Polymerketten, die wir im Rahmen haben, desto elastischer ist das System. Je elastischer die Halterung, desto mehr Bewegung zeigt das aufgehängte Element, beschädigt andere Elemente des Systems und verursacht unerwünschte Geräusche. Dies führt zu einer erhöhten Belastung der Träger, was dazu führt, dass die verbleibenden Polymerketten brechen, was zu einem selbsttätigen Abbau führt.
