Gummi als Baustoff und Federsystem

In einem direkten Vergleich zu Metallen weist der Baustoff Gummi ein besonderes Dehnungsvermögen auf. Dagegen ist die Zugfestigkeit geringer. Die Fähigkeit, Dehnungen bis zu annähernd 1.000 Prozent realisieren zu können, erkannten nordamerikanische Schienenfahrzeugbauer bereits in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts: Nachdem das US-Unternehmen Goodyear im Jahr 1839 die Vulkanisation erstmalig anwendete, kam es zu einer regelrechten Welle von Erfindungen zum Einsatz von Gummifedern. Während der Werkstoff Gummi erst rund 90 Jahre später Einzug in den Automobilbau, speziell bei der Abfederung des britischen Kleinwagens Mini hielt, deckte er frühzeitig diverse Anwendungsgebiete als Aggregat- und Lenklager sowie als Zusatzfeder ab. Den positiven Eigenschaften von Gummi standen negative Werkstoffeigenschaften wie die Alterung des Gummis gegenüber, was später dazu führte, kein Gummi zum Bau von Fahrwerksfedern einzusetzen.

Gummi als Baustoff und als Federsystem: die Details

Der immer häufigere Einsatz von Gummifeder-Systemen hängt nicht zuletzt an den hervorragenden elastischen Eigenschaften. Die Dehnung von Gummi liegt im positiven 1.000-prozentigen Bereich im direkten Vergleich zu anderen Baustoffen. Im Gegenzug weisen Metalle kleine Dehnungswerte unterhalb der Elastizitätsgrenze auf.

Einerseits ist die Zugfestigkeit mit bis zu 30 MPa recht niedrig (MPa = Maßeinheit für mechanische Spannung). Im Vergleich zu Qualitätsstahl ermöglicht die große Dehnung aber andererseits eine große Arbeitsaufnahme.

Nach dem Hookeschen Elastizitätsgesetz (Robert Hooke, britischer Universalgelehrter, *1635 ;†1703) ist die Deformation eines Körpers unterhalb der Belastungsgrenze proportional zu der wirkenden Belastung. Für den Baustoff Gummi gilt dies bei Druck und bei Zug: Gummi besitzt demnach keinen gleichbleibenden Zug- oder Druckelastizitätsmodul. Dagegen werden diverse Metalle zum Ende einer Zugbelastung weicher. Bei Gummi ist das umgekehrt, es verfügt über keine Fließgrenze und der Modul steigt solange an, bis es zum plötzlichen Bruch kommt.

Die positiven Eigenschaften von Gummi

Hervorragende Formbarkeit und Dämmfähigkeit, gute Schalldämmung und chemische Beständigkeit sind die positiven Eigenschaften des Baustoffs Gummi:

• Gummi ist besonders gut elastisch formbar: Im normalen Härtebereich liegt das Elastizitätsmodul für den Werkstoff Gummi zwischen 2 und 12 MPa, während er bei Stahl 210.000 beträgt – Gummi ist demnach 100.000 weicher als der Werkstoff Stahl.
• Durchläuft eine auf eine Federung aufgestellte Maschine den Resonanzbereich, wird die gute Dämmfähigkeit von Gummi deutlich. So beträgt der gemessene Resonanzausschlag einer Feder aus Gummi 1/5 bis 1/50 im Vergleich zur Stahlfeder mit gleicher Steifigkeit.
• Schub- oder Druckbelastungen auf Gummifedern generieren in Abhängigkeit von der Härte Energieverluste zwischen 6 und 30 Prozent. Deshalb können Gummifederungen auch als Dämpfer eingesetzt werden, wenn die jeweils anfallenden Umwandlungsprozesse von Energie in Wärme berücksichtigt werden.
• Gummi dämpft Schall hervorragend. Dabei nimmt diese positive Eigenschaft proportional zur Gummi-Dicke zu. Besonders Körperschall in Fußböden, Fundamenten und generell in Gebäuden wird effektiv unterdrückt.
• Der federnde Werkstoff Gummi ist chemischen Belastungen gegenüber besonders robust. Stahlfedern sind dagegen vergleichsweise anfälliger gegenüber feuchter Luft und Säuren.
• Gummis sind Vulkanisate von Natur- und Synthesekautschuken, die dauerhaften Temperaturen von höchstens 75 °C ausgesetzt werden sollen. Tiefe Temperaturen von minus 30 Grad und darunter führen zu Versteifung des Materials, unterhalb der minus 40 Grad wird Gummi hart, unelastisch und spröde.

Kommen Schwingungsdämpfer mit Ölen in Berührung, wird ölbeständiger Synthese-Kautschuk verbaut. Dieser Gummiwerkstoff hat im Vergleich zum Naturkautschuk allerdings schlechtere Federungseigenschaften. Gegen schädliche Einflüsse von Öl wirken zudem ölbeständige Lackierungen oder ein geeigneter mechanischer Schutz.