Gumirugók

8.5.1. Gumirugók felépítése, kialakításai

A gumirugók jellemzően nyomásra, nyírásra, valamint nyomatékkal terhelt, kialakításukat tekintve többnyire fémlemezek között, vulkanizálással rögzített tömör vagy üreges kivitelű gumitömbök vagy gumigyűrűk.

A gumirugók jó belső csillapításának köszönhetően kedvező rezgéscsillapítási tulajdonságokkal rendelkeznek, így megfelelő kialakítással alkalmasak a beépítési körülmények között keletkező rezgések hatásos csillapítására. Nagy alakváltozási képességeik következtében beépítési egyenetlenségek (radiális, axiális, valamint szöghibák) kiegyenlítésére is alkalmasak. Rugalmassági modulusuk több nagyságrenddel kisebb a fémekéhez viszonyítva (számos paraméter függvénye, mint pl. terhelés, alak, terhelési sebesség, terhelés-változás sebessége, stb. [15]), így viszonylag lágy rugók alakíthatók ki kis szerkezeti méretek esetén. Alapanyagukat tekintve a polimerek családjába tartozó kaucsukok csoportjába tartoznak, melynek tulajdonságait a gyártás során különböző adalékok (lágyítók, töltőanyagok, festékek, stb.) hozzáadásával módosítják a kívánt mértékre.

A rugók viselkedésének leírására alkalmazott paraméter kis alakváltozási sebességek esetén (v0) a statikus rugómerevség. Számszerű értékét általában a rugókarakterisztika vizsgált pontjához (erő-deformáció,) húzott érintő-modulussal szokás megadni. Az erő-deformáció függvény feszültség-alakváltozás koordináta rendszerben történő ábrázolásakor a rugalmassági modulus húr szerinti (E^h=d_/d_) értelmezését kapjuk (érintő iránytangense, 8.15.

ábra).

A gumirugók terhelésre adott válaszfüggvényei terhelési sebesség, valamint idő függőek, így a viszko-elasztikus anyagmodellek törvényszerűségei alapján tárgyalhatók. Ismétlődő, periodikus terhelések esetén a gumirugók csillapítási tulajdonságaival kell számolnunk, amely jelenséget a csillapítási ellipszis felrajzolásával követhetjük nyomon. Egy gumirugó statikus terhelésére (Fm, f_m értékekkel jellemzett) szuperponált F_a(t) lengés hatását a 8.16. ábra szemlélteti. Egy tetszőleges, vizsgált munkapontban (amely a 8.16. ábra szerinti a kitérés középértéke (fm)) a rugókarakterisztika iránytangense alapján a statikus rugómerevség (Ss) számítható. A csillapítási ellipszis nagytengelyének iránytangenséből a dinamikus rugómerevség (S_d) határozható meg.

8.15. ábra: Gumirugók statikus rugókarakterisztikája (v0) nyomó, valamint nyíró igénybevételkor

8.16. ábra: Gumirugók csillapítási ellipszise, adott középterhelésre szuperponált Fa

amplitúdójú periodikus terhelésfüggvény esetén

A gumirugók szokásos igénybevétele a nyomás, valamint a nyírás. Legelterjedtebb típusok a fémlemez, illetőleg fémtárcsa fegyverzetben kialakított hüvelyes, valamint tárcsás lemezrugók. Kialakításuk tekintetében lehetnek állandó, vagy változó keresztmetszetűek. Ez utóbbi esetben szokás az egyenszilárdságú kivitel megvalósítása. Néhány jellegzetes gumirugó típust, valamint azok jellemző terhelését a 8.17. ábra mutatja be.

8.17. ábra: Néhány jellegzetes gumirugó típus, és azok jellemző terhelése: lemezes, nyomó terhelésű (a); lemezes, nyíró terhelésű (b); hüvelyes, csavaró terhelésű (c) Nyomatékterhelésű, állandó szerkezeti magasságú hüvelyes gumirugó modelljét a 8.17. ábra c. része mutatja.

A h szerkezeti magassággal (h=állandó) kialakított rugó nyomatékterhelés hatására  szögelfordulást szenved a 8.18. ábra jelöléseivel:

8.18. ábra: Állandó szerkezeti magasságú hüvelyes gumirugó szögelfordulása

Az integrál elvégzése után a  szögelfordulás mértéke a geometriai adatokkal számítható:



8.19. ábra:Egyenszilárdságú hüvelyes, csavaró terhelésű gumirugó típus

Amennyiben a rugót egyenfeszültségi elvek ( = állandó) alapján alakítjuk ki (8.19. ábra), azaz a külső átmérőhöz kisebb szerkezeti magasság (h_k) tartozik, mint a belső átmérőhöz (h_b), a rugó azonos nyomatéki terhelés hatására nagyobb (’) szögelfordulást szenved, az alábbiak szerint (az integrálás elvégzését követően):

b

A rugók méretezésekor alkalmazott összefüggések a Hooke-törvény (erő-deformáció) közel lineáris szakaszáig alkalmazhatók, ami a megengedett deformáció mértékét korlátozza. A 8.17. ábra és 8.19. ábra szerinti rugótípusok méretezésénél alkalmazható alapösszefüggéseket

– azok levezetésének mellőzésével – a

8.3. táblázatban foglaltuk össze [20].

Méretezési alapössze-függések

Gumirugó típusa és terhelése Lemezes, nyomó

MPa ^A

8.3. táblázat: Néhány jellegzetes gumirugótípus méretezési alapösszefüggése Összetett igénybevétellel, nyomással és nyírással terhelt a 8.20. ábra látható ferde beépítésű lemezes rugópár.

8.20. ábra: Ferde beépítésű lemezes rugópár

A terhelő erő irányába eső f deformáció terhelő erőre merőleges (fn), valamint a rugólemezek irányába eső elmozdulás komponensekből (f_t) áll:



A 8.20. ábra vektorábrája alapján:



A rugóelemek normál, és tangenciális rugómerevségének különbözősége okán (melyre vonatkozó levezetést itt mellőzzük) a terhelt rugóelem vektoregyensúlyi ábráját a 8.20. ábra szemlélteti. A rendszer erő-deformáció összefüggését az (8.53), valamint (8.54) egyenletek felhasználásával kapjuk:

 rendszer eredő rugómerevsége (s) számítható:

h

h a gumirugó szerkezeti magassága (Fn erő irányában), A gumirugó keresztmetszete (F_n erő irányára merőlegesen), E^h rugalmassági modulus (Fn erő irányában),

G^h csúsztató rugalmassági modulus (Fn erő irányában).

Az (8.58) összefüggés alapján a rugórendszer merevsége a beépítési szög változtatásával módosítható.

4.2.2. Gumirugók anyagai

A műszaki gyakorlatban alkalmazott lágygumik alapanyaga a kaucsuk. A kaucsuk polimer vegyület, melynek előállítása természetes vagy mesterséges alapanyagokból lehetséges.

Gumirugók alapanyagával szemben támasztott legjelentősebb követelmények: nagy szakító szilárság és kifáradási határ, nagy rugalmas alakváltozási képesség (a százalékos alakváltozás mértékét szokás korlátozni, figyelemmel erő-deformáció jelleggörbéjük megközelítőleg lineáris szakaszára), hőméséklet-tűrés (általában 100°C-ban szokás korlátozni), kis öregedés-érzékenység, környezeti hatásoknak ellenállás (pl. olajállóság).

A leginkább használt anyagfajták:

SBR (Sztirol-Butadién), NBR (Nitril-Butadién), CR (Poliklorofén), Szilikon-Kaucsuk.

Előállításukhoz többnyire valamilyen (általában butadién) gáz molekuláit sztirollal, vagy akrilnitrittel hosszú láncokká polimerizálják, majd különböző töltőanyagokkal kezelik.

A gumirugók alapanyagául szokásosan használt anyagok estén az alábbi szilárdsági jellemzőket szokás meghatározni: szakító és nyomó szilárdság, nyúlás, húzó- valamint

A gumi feszültség-nyúlás jelleggörbéjének ismeretében (anyag, valamint próbatest-alak függvényében akár több száz százalékos megnyúlásra is képes) a nyíró szilárdságot, a nyíró rugalmassági modulust (G). Közelítő összefüggés E és G között  = 0,5 Poisson tényező feltételezésével: E  3G, valamint a Shore keménységet (adott geometriájú tű benyomódási mélysége) használjuk anyagjellemzőként.

A Shore keménység mellett, főleg német nyelvterületeken használatos keménységmérő szám még a DVM Lágysági szám melynek meghatározása hasonló a Shore keménységéhez.

A műszaki gyakorlatban használatos gumianyagok néhány mechanikai jellemzője:

Shore keménység közepes értéke: 40…75, az alsó határérték alatt lágy, míg a felső felett kemény rugóanyagról beszélünk. Nyíró rugalmassági modulus G = 4…20 N/mm² tartományba esik.

Megengedett statikus igénybevételük a gyakorlatban a 7…15 MPa intervallumban változik, mindenkor az eredeti, terheletlen keresztmetszetre vonatkoztatva. Váltakozó terhelés esetén az igénybevétel módjától, a rugó anyagától és kialakításától függően a megengedett értékek 0,1…1,0 MPa tartományba esnek.

Jellemző üzemi hőmérséklet tartományok: természetes kaucsuk: 30…+100C, SRB: -20…+120C, NRB: --20…+120C, Szilikon gumi: 0…250C.