DE10351999A1

DE10351999A1 - Federelement

Info

Publication number: DE10351999A1
Application number: DE2003151999
Authority: DE
Inventors: Werner Hasenstab
Original assignee: Individual
Current assignee: Hasenstab Gabriele 63814 Mainaschaff De
Priority date: 2003-05-18
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2004-12-16

Abstract

Beschrieben wird ein Federelement, ausgebildet als Flachkörper, der eine obere und eine untere Begrenzungsebene aufweist, die durch ein Dickenmaß d voneinander getrennt angeordnet sind. DOLLAR A Eine erste Federvariante sieht jeweis n >= 2 lokal begrenzte, jeweils über die obere und untere Begrenzungsebene ragende Erhebungen vor, die jeweils um eine die obere und untere Begrenzungsebene senkrecht schneidende Achse A gleich verteilt mit Winkelabständen 2 pi/n derart angeordnet sind, dass die n Erhebungen sowohl an der oberen als auch an der unteren Begrenzungsebene in Projektion zur Achse A in einer gemeinsamen virtuellen Projektionsebene um die Achse A gleich verteilt mit Winkelabständen pi/n angeordnet sind. DOLLAR A Eine zweite Federvariatne sieht jeweils über die obere und untere Begrenzungsebene ragende Erhebungen vor, die jeweils mit einer Periodizität p, d. h. Abstand zweier beanchbarter Erhebungen längs einer Begrenzungsebene, derart angeordnet sind, dass sowohl die Erhebungen an der oberen als auch an der unteren Begrenzungsebene in Projektion längs einer senkrecht die obere und untere Begrenzungsebene schneidenden Achse A in einer virtuellen Projektionsebene eine Periodizität von p/2 zueinander aufweisen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Federelement, das in Form eines Flachkörpers ausgebildet ist und bei einem verhältnismäßig kleinen Federweg sehr große Kräfte in der Lage ist aufzunehmen.
Stand der Technik
Federelemente mit den vorstehenden Eigenschaften sind beispielsweise als handelsübliche Tellerfedern bekannt, die jeweils eine kegelförmig ausgebildete Ringschalenform aufweisen und zumeist über eine ringförmige Kante aufliegen. Die von Tellerfedern aufzunehmenden Federkräfte sind letztendlich durch die nur geringe Auflagefläche begrenzt. Überdies weisen Tellerfedern, insbesondere bei hohen Lastwechselzahlen, beträchtliche Ermüdungserscheinungen auf, durch die die Federkennlinie, d.h. das Kraft-Weg-Verhalten, ungünstig beeinflusst und irreversibel verändert wird.
So besteht der Wunsch nach einem einer Tellerfeder vergleichbar klein bauendem Federelement, das jedoch im Gegensatz zu Tellerfedern weitaus größere Zug- und Druckkräfte übertragen soll, verbunden mit der weiteren Forderung nach einer verbesserten Ermüdungsresistenz selbst bei hohen Lastwechselzahlen. So gilt es nach klein bauenden Federelementen zu suchen, die beispielsweise Anwendungen in der Schienentechnik Stand halten sollen und bspw. für den gefederten Einsatz von Schienenlagerungen geeignet sind. Auch Brückenstützpunkte oder Maschinenlager sollen mit entsprechend belastbaren Federelementen federnd abgestützt werden.

Eine gegenüber den vorstehend erwähnten Tellerfedern deutlich verbesserte Federvariante stellt die, in der DE 202 05 139 U1 beschriebene Plattenfeder dar, die in einer bevorzugten Ausführungsform in Art einer Ringscheibe ausgebildet ist, längs der in räumlich begrenzten Sektorbereichen, die Ringscheibenebene überhöhende Krümmungen eingearbeitet sind. Die zwischen den Überhöhungen angeordneten Kreisscheibenbereiche dienen als Auflageflächen und sind für eine möglichst flächige Kraftüberübertragung über eine entsprechende Unterlage eben ausgebildet. Abweichend von der geschilderten Ringsscheibenform sind ebenso n-eckige Plattenfedergeometrien denkbar. Nun liegt der Vorteil vorstehend beschriebener Plattenfedern darin, dass sie mit Mitteln der Stanz- und/oder Umformtechnik kostengünstig und in nahezu beliebigen Dimensionen herstellbar sind. Vor allem verfügt eine derartige Plattenfeder über Federeigenschaften mit hoher Linearität in Abhängigkeit des Federweges, d.h. die Federkraft verhält sich streng proportional zur Federauslenkung. Doch können bei sehr klein dimensionierten Plattenfedern aufgrund der gestanzten bzw. umgeformten lokal begrenzten Krümmungen äußerst geringe Krümmungsradien längs der Plattenfeder auftreten, die insbesondere bei hohen Lastwechselzahlen bevorzugte Materialermüdungserscheinungen zeigen und zu lokalen Bruchkanten entarten können.

Darstellung der Erfindung

So liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Federelement anzugeben, das auch bei kleinen und kleinsten Dimensionierungsgrößen ein ermüdungsfreies Federformverhalten zeigt. Unabhängig von der Federskalierung soll das Federelement hohen Lastwechselzahlen standhalten und über ein lineares Kraft-Weg-Verhalten verfügen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 und 7 angegeben. Das erfindungsgemäße Federelement vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Federelement ist als Flachkörper ausgebildet und weist eine obere und eine untere Begrenzungsebene auf, die jeweils durch ein Dickenmaß d voneinander getrennt angeordnet sind. In einer ersten erfindungsgemäß ausgebildeten Federelementvariante sieht das Federelement jeweils n > 2 lokal begrenzte, jeweils über die obere und untere Begrenzungsebene ragende Erhebungen auf, die jeweils um eine die obere und untere Begrenzungsebene senkrecht schneidende Achse A gleich verteilt mit Winkelabständen 2π/n derart angeordnet sind, dass die n-Erhebungen sowohl an der oberen als auch an der unteren Begrenzungsebene in Projektion zur Achse A in einer gemeinsamen virtuellen Projektionsebene um die Achse A gleich verteilt mit Winkelabständen π/n angeordnet sind.

In vorteilhafter Weise weisen die jeweiligen Erhebungen an der unteren und oberen Bezugsebene punkt- oder linienförmige oder flächige Bereiche auf, die einen maximalen senkrechten Abstand s zu der jeweiligen unteren oder oberen Begrenzungsebene vorsehen. Hierbei spannen diese Bereiche bspw. der an der oberen Begrenzungsebene angeordneten Erhebungen eine gemeinsame Ebene auf, die so genannte obere Auflageebene. In gleicher Weise definieren die an der unteren Begrenzungsebene vorgesehenen Erhebungen eine untere Auflageebene. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Abstände der jeweiligen Auflageebenen zu den ihnen zugewandten Begrenzungsebenen gleich dimensioniert. Jedoch ist es denkbar, in Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzzweckes des Federelementes die Erhebungen an der oberen und unteren Begrenzungsebene jeweils unterschiedlich groß zu dimensionieren, so dass die Abstände zwischen der oberen Auflageebene und der oberen Begrenzungsebene sowie zwischen der unteren Auflageebene und der unteren Begrenzungsebene unterschiedlich groß sind.

In jedem Fall ist der durch die obere und untere Begrenzungsebene einbeschreibbare Flachkörper des Federelementes von den jeweiligen Auflageebenen beabstandet.

Die Erhebungen sind längs der oberen und unteren Begrenzungsebene jeweils unter gleichen Winkelabständen in einer um eine den Flachkörper senkrecht durchsetzenden Achse A zirkular angeordnet.

Von entscheidender Bedeutung für die erwünschte Federwirkung des Federelementes mit linearer Kennlinie ist die gegeneinander versetzte Anordnung der Erhebungen an der oberen und unteren Begrenzungsebene des Flachkörpers. Benachbart zueinander liegende Erhebungen längs einer Begrenzungsebene schließen, bezogen zu der den Flachkörper senkrecht durchragenden Achse A, einen Winkel ein, durch den ein Flachkörpersegment einbeschreibbar ist, durch das die beiden benachbarten Erhebungen voneinander getrennt werden. Die Anordnung der an der gegenüberliegenden Begrenzungsebene vorgesehenen Erhebungen ist nun gerade derart gewählt, dass die Erhebungen vorzugsweise mittig über oder unter den vorstehend beschriebenen Flachkörpersegmenten vorgesehen sind. Herrschen axial gerichtete Kräfte auf das Federelement ein, d.h. parallel zur Achse A wirkende Druck- oder Zugkräfte, so greifen diese zunächst an den jeweiligen Erhebungen an, die die Kräfte, ohne im wesentlichen selbst verformt zu werden, in die jeweiligen Bereiche der Flachkörpersegmente weiterleiten, die sich letztlich elastisch verformen und die Federwirkung des Federelementes bewirken.

Vorzugsweise weisen die Erhebungen eine kleinere zirkulare Erstreckung auf, als die jeweilige Kreissegmentbreite zwischen zwei auf einer Bezugsbegrenzungsebene benachbart angeordneter Erhebungen. Somit sind in einer virtuellen Projektionsebene senkrecht zur Achse alle Erhebungen durch Flachkörpersegmentbereiche voneinander beabstandet, die letztlich, wie vorstehend beschrieben, durch elastische Verformung senkrecht zur Achse A wesentlich zur elastischen Verformbarkeit des Federelementes beitragen.

Die Erhebungen selbst bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material des Flachkörpers, sind also einstückig mit diesem verbunden und werden typischerweise im Wege eines Umform-, Gieß- oder Material-Abtragevorganges hergestellt. Im einfachsten Fall dient als Flachkörper ein Kreisringelement, vorzugsweise aus Metall, jedoch sind beliebig andere druck- und zugbelastbare Materialien denkbar, wie beispielsweise Kunststoffe, oder ganz allgemein nicht sprödharte Materialien, die im Wege eines Kaltumformprozesses in eine gewünschte Endform, mit entsprechend längs der Kreisringform positionierten Erhebungen überführbar sind.

Materialumformprozesse, wie Stanzen oder Prägen, können jedoch zu intrinsischen Gefügedeformationen bzw. Verspannungen führen, die je nach Materialwahl einen die Lebensdauer des Federelementes mehr oder weniger beeinträchtigenden Aspekt darstellen können. Im Gegensatz hierzu gestattet die Gieß- oder Materialabtragetechnik, beispielsweise Frästechnik, die Herstellung des erfindungsgemäßen Federelementes ohne jegliche materialintrinsische Verwertungen oder Inhomogenitäten.

Auch ist es möglich, die Erhebungen als gesonderte Einzelkomponenten mit entsprechenden Dimensionen und Formen herzustellen und an den Flachkörper unter Zugrundelegung der erfindungsgemäßen Anordnungsweise anzufügen. Hierbei sollte das Material, aus dem die Erhebungen als Einzelkomponenten gefertigt sind, wenigstens die Härte des Flachkörpers selbst aufweisen, um einen vorzeitigen Verschleiß der Erhebungen durch Druck- und Zugbeanspruchungen zu vermeiden.

Vorstehend ist bereits auf ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Flachkörpers in Form eines Kreisringelementes hingewiesen worden, das aus einer zentrisch gestanzten Kreisscheibe herstellbar ist, die bspw. einem nachfolgenden Umformvorgang unterzogen wird, zur Herstellung der Erhebungen, doch sind darüber hinaus auch Flachkörper mit nahezu beliebig ausgebildeten Umfangsrandkonturen denkbar. So eignen sich durchaus auch vieleckige Umfangsrandkonturen, insbesondere dreieckig, quadratisch oder rechteckig ausgebildete Flachkörper. Selbstverständlich können die Flachkörper auch eine von der Kreisform abweichende Rundform aufweisen, wie beispielsweise oval oder elliptisch ausgebildete Umfangsrandkonturen. Nicht notwendigerweise bedarf es einer vorzugsweise zentrisch oder mittig eingebrachten Öffnung innerhalb des Flachkörpers, jedoch kann neben der Materialwahl und Dimensionierung des Federelementes die Federkennlinie des Federelementes entscheidend durch Gestalt und Größe einer vorzugsweise mittig in den Flachkörper eingebrachten Öffnung beeinflusst und bestimmt werden.

Durch die bereits beschriebene zirkulare Anordnung der einzelnen Erhebungen um die Achse A längs der oberen und unteren Begrenzungsebenen erweist es sich als besonders vorteilhaft, die von den jeweiligen Begrenzungsebenen erhabenen Erhebungen in radialer Erstreckung relativ zur Achse A auf den Begrenzungsebenen entsprechend vorzusehen.

Im einfachsten Fall sind die Erhebungen als geradlinig, stegartig ausgebildete Strukturelemente ausgeformt, die sich über die jeweilige Begrenzungsebene in Bezug zur Achse A radialwärts erstrecken. Je nach Stegbreite ist die Auflagefläche, mit der das Federelement über die eingangs beschriebene untere und obere Auflageebene mit entsprechenden Wirkflächen in Kontakt tritt, gezielt wählbar. Auch sind Formen für Erhebungen denkbar, die flächig ausgebildet sind und sich mit zunehmendem radialen Abstand zur Achse A strahlförmig aufweiten. Weitere Einzelheiten hierzu können den im weiteren beschriebenen Ausführungsbeispielen entnommen werden.

Eine zweite, alternative erfindungsgemäße Variante des Federelementes sieht gleichsam der vorstehenden Variante einen Flachkörper mit einer oberen und unteren Begrenzungsebene vor, die jeweils durch vorzugsweise ein einheitliches Dickenmaß d voneinander getrennt angeordnet sind. Über die obere und untere Begrenzungsebene ragen Erhebungen, die zumindest in einem begrenzten Bereich des Flachkörpers jeweils mit einer Periodizität p derart angeordnet sind, dass sowohl die Erhebungen an der oberen als auch an der unteren Begrenzungsebene in Projektion längs einer senkrecht die obere und untere Begrenzungsebene schneidende Achse A in einer virtuellen Projektionsebene eine Periodizität von p/2 zueinander aufweisen.

Im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen ersten erfindungsgemäßen Variante eines Federelementes, bei der sich die Erhebungen zirkular um eine Achse A mit jeweils gleichen Winkelabständen verteilt sind, sieht das Federelement gemäß zweiter Variante keine derartige Zirkularanordnung vor. Vielmehr weist das Federelement gemäß zweiter Variante Erhebungen an der oberen und unteren Begrenzungsebene auf, die jeweils parallel zueinander verlaufen. Die Erhebungen weisen vorzugsweise eine lineare Längserstreckung auf und sind vorzugsweise formgebend aus dem Flachkörpermaterial des Federelementes herausgearbeitet. Abweichend von einer linearen Längserstreckung sind auch gekrümmt oder geschwungen geformte Längserstreckungen der Erhebungen denkbar, sofern sie allesamt parallel zueinander verlaufen. In bevorzugten Ausführungsformen weisen die Erhebungen aus dem Material des Flachkörpers geformte hohlkegelartig ausgebildete Längsprofile auf, die beispielsweise über einen runden, eckigen, U- oder V-förmigen Querschnitt verfügen.

Gleichsam der ersten Variante des Federelementes vertilgen die Erhebungen auch bei der zweiten Variante über eine längs einer Begrenzungsfläche laterale Dimension, d.h. eine Erstreckung parallel zur jeweiligen Begrenzungsfläche in Richtung zur benachbart gelegenen Erhebung, die gleich oder vorzugsweise kleiner als der laterale Abstand zweier benachbarter Erhebungen längs einer Begrenzungsfläche ist. Hierdurch wird die für das Federelement charakteristische Federwirkung erhalten, die auf der elastischen Durchbiegung eines aufgrund einer axial auf das Federelement wirkenden Kraft zwischen zwei benachbart zueinander liegenden Erhebungen längs einer Begrenzungsfläche eingeschlossenen Flachkörperbereichs beruht. Neben der Material- und Dickenwahl des Flachkörpers wirkt sich die laterale Beabstandung der parallel zueinander verlaufenden Erhebungen längs des Flachkörpers entscheidend auf die Federhärte des Federelementes aus, die überdies über eine lineare Kennlinie verfügt.

Je nach Einsatzzweck lässt sich das Federelement mit runder, ovaler, elliptischer, drei-, vier- oder n-eckiger Umfangskontur ausbilden und lässt sich somit für nahezu beliebige Einsatzzwecke individuell anpassen.

Um den Federweg des Federelementes zu vergrößern, der pro Federelement lediglich durch den maximal senkrechten Abstand s des von der jeweiligen Begrenzungsebene am weitest entfernt liegenden punkt- oder linienförmigen oder flächigen Bereich der Erhebung bestimmt ist, sind die Federelemente derart ausgebildet, dass sie längs der vorstehend beschriebenen Achse A übereinander stapelbar sind. Hierbei greifen die sich unmittelbar gegenüberliegenden Erhebungen zweier benachbart, in einer Stapelanordnung gegenüberliegenden Federelemente jeweils in die Flächenbereiche des gegenüberliegenden Federelementes ein, die jeweils zwischen zwei Erhebungen eingeschlossen sind. Durch diese Stapeltechnik kann der Federweg nahezu beliebig vergrößert werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a,b,c Schräg-, Seiten- und Draufsichtdarstellung eines kreisringförmig ausgebildeten Federelementes,
2a,b Drauf- und Seitensichtdarstellung eines alternativen kreisringförmig ausgebildeten Federelementes,
3a, b, Darstellung einer Schrauben-Federelement-Verbindung zur elastischen Verspannung des Federelementes,
4 quadratisch ausgebildetes Federelement, vorgespannt zwischen einer oberen und unteren Platte sowie
5 Drauf- und Seitensichtdarstellung eines plattenförmig ausgebildeten Federelementes.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1 ist eine Schräg- (a), Seiten- (b) sowie Draufsichtdarstellung (c) eines kreisringförmig ausgebildeten Federelementes 1 abgebildet. Die weitere Figurenbeschreibung bezüglich 1 nimmt Bezug auf alle drei Ansichtsdarstellungen zugleich, so dass auf Einzelverweise im weiteren verzichtet wird. Das Federelement 1 weist eine als Grundform einen kreisscheibenförmig ausgebildeten Flachkörper 2 mit einer mittigen Ausnehmung bzw. Öffnung 3 auf. Der kreisscheibenförmig ausgebildete Flachkörper 2 verfügt über eine obere Begrenzungsebene 4 sowie eine untere Begrenzungsebene 5, die durch das Dickenmaß d voneinander beabstandet sind. Auf der oberen Begrenzungsebene 4 sind zwei Erhebungen 61 und 62 vorgesehen, die jeweils eine Dicke s aufweisen, mit der sich die Erhebungen 61, 62 über die obere Begrenzungsebene 4 erheben. Die Erhebungen 61, 62 sind bezogen zu einer die Öffnung 3 mittig durchsetzenden Achse A gegenüberliegend und im gezeigten Ausführungsbeispiel symmetrisch angeordnet und ausgebildet. Die Erhebungen 61, 62 sind kreisringsektorartig ausgebildet und weisen über ihre gesamte laterale Erstreckung eine konstante Dicke s auf. Ihre Oberseiten sind jeweils plan ausgebildet und definieren gemeinsam eine obere Auflageebene. Entsprechend den an der oberen Begrenzungsebene 4 angebrachten Erhebungen 61, 62 sind auch an der unteren Begrenzungsebene 5 des Federelementes 1 entsprechend ausgebildete Erhebungen 71, 72 vorgesehen, die im Vergleich zu den Erhebungen 61, 62 um 90° längs der Achse A an der unteren Begrenzungsebene 5 angebracht sind. Auch die an der Unterseite des Federelementes 1 angebrachten Erhebungen 71, 72 weisen, dem Federelement abgewandte Oberseiten auf, die eine entsprechend untere Auflageebene des Federelementes 1 bilden.
Sei angenommen, dass das in 1 dargestellte Federelement 1 über die untere und obere Auflagefläche mit entsprechenden nicht dargestellten Wirkflächen in Verbindung tritt und eine axialwärts zur Achse A gerichtete Kraft auf das Federelement 1 einwirkt, so stellen sich folgende elastische Verformungen am Federelement 1 ein. Da auf der jeder Erhebung gegenüberliegenden Begrenzungsebene keine entsprechende Erhebung vorgesehen ist, erfährt jeder Bereich, der jeweils auf einer Begrenzungsebene von zwei Erhebungen begrenzt ist eine elastische Verformung. Die elastische Verformung ist am Umfangsbereich am größten und kann maximal einen Federweg s betragen. Aus der erfindungsgemäßen wechselseitigen Anordnung der Erhebungen ergibt sich bei einer axialen Druckbelastung eine wechselseitige Durchbiegung des Umfangsrandes des Federelementes. Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel erfährt längs seines Umfangrandes eine Verformung in Art einer vollständigen Sinuswelle mit jeweils einer maximalen Amplitude s. Es ist leicht vorstellbar, dass die Federhärte des Federelementes 1 zum einen vom Material des Federelementes 1 abhängt, das aus Metall, Kunststoff oder ähnlichen elastisch verformbaren Materialien gefertigt sein kann, zum anderen durch die Dimensionierungen aller, das Federelement bestimmenden Strukturgrößen, wie beispielsweise die Dicke d des Flachkörpers 2, die Überhöhung s der Erhebungen, der Gesamtdurchmesser des kreisringförmig ausgebildeten Flachkörpers 2 sowie der Innendurchmesser der Öffnung 3.
Das in 1 dargestellte Federelement ist vorzugsweise aus einer Vollscheibe mit der Dicke d + 2s gefertigt worden, wobei die Erhebungen 61, 62 bzw. 71, 72 mittels entsprechender Fräs- oder Zerspanungstechnik aus dem Vollen gearbeitet worden sind. Ebenso bietet es sich an, das Federelement 1 im Wege eines Gussverfahrens herzustellen. Als weitere Alternative zur Herstellung dient die Umformtechnik, mit der die Erhebungen auf den entsprechenden Begrenzungsebenen im Wege einer Materialverdrängung herstellbar sind, so bspw. mittels Stanzen oder Prägen.
Eine weitere, vorteilhafte Eigenschaft des in 1 dargestellten Federelementes ist die laterale Dimensionierung längs der jeweiligen Begrenzungsebene jeder einzelnen Erhebungen. So weist das in 1 dargestellte Federelement pro Begrenzungsebene jeweils zwei relativ zur Achse A, die den Flachkörper 2 senkrecht durchsetzt, symmetrisch zueinander ausgebildete Erhebungen 61, 62 auf, die, bezogen zur Achse A, einen Winkel von 180° einschließen. Zwischen den Erhebungen auf einer Begrenzungsebene ist ein Flachkörpersegmentbereich f1 eingeschlossen, dessen zirkulare Erstreckung um die Achse A größer bemessen ist, als die zirkulare Erstreckung f2 einer jeden Erhebung. Ferner stellt die in 1c gezeigte Darstellung eine Projektion der Erhebungen an der oberen und unteren Begrenzungsebene in eine gemeinsame Projektionsebene dar, aus der hervorgeht, dass die Erhebungen pro Begrenzungsebene jeweils versetzt zueinander angeordnet sind. Eine vorteilhafte Besonderheit des erfindungsgemäß ausgebildeten Federelementes besteht auch darin, dass in der Projektionsebene zwei unmittelbar benachbart liegende Erhebungen, z.B. 62, 71, einen Flachkörpersegmentbereich 8 mit einer zirkularen Erstreckung f3 einschließt, die vorzugsweise größer oder gleich der zirkularen Erstreckung f2 der jeweiligen Erhebungen ist. In einem Extremfall kann jedoch auch f3 den Wert Null annehmen.
Eine weitere alternative Ausführungsform bezüglich des erfindungsgemäß ausgebildeten Federelementes ist in 2a und b dargestellt, die eine Drauf- sowie Seitenansicht zeigt. Das in 2 dargestellte Federelement 1 weist jeweils vier an der oberen Begrenzungsebene 4 angeordnete Erhebungen 61 bis 64 auf, die jeweils miteinander einen 90°-Winkel einschließen. An der unteren Begrenzungsebene 5 sind jeweils versetzt zu den oberen Erhebungen ebenfalls vier Erhebungen 71 bis 74 angeordnet. Die einzelnen Erhebungen sind stegartig ausgebildet und weisen jeweils eine zirkulare Breite f2 auf, die wesentlich kleiner ist als der zirkulare Abstand f3 zweier unmittelbar benachbart liegender Erhebungen gemäß Bilddarstellung 2a. Vergleicht man die Federhärten der Federelemente gemäß 1 und 2, so verfügt das in 2 dargestellte Federelement über eine weitaus höhere Federhärte als das Ausführungsbeispiel gemäß 1. In gleicher Weise verfügt auch das Federelement gemäß 2 über eine mittige Öffnung 5.
In 3 ist eine Schraubverbindung 9 dargestellt, die über eine Schraubenmutterverbindung 10, 11 ein Federelement 1 gegen eine entsprechende Unterlage 12 in Vorspannung bringt. Selbstverständlich ist es möglich, mehrere Federelemente 1 in die Schraubverbindung 9 einzubringen. Durch entsprechende Vorspannung, die mit der Schraubverbindung 9 herstellbar ist, kann ein bestimmtes elastisches Verhalten des Federelementes 1 individuell eingestellt werden.
Darüber hinaus ist es möglich, zwischen einer oberen Platte 13 und einer unteren Platte 14 das mechanisch eingespannte Federelement 1 mittels zusätzlichem Dämpfungsmaterial 15, beispielsweise Silikon oder Kautschuk, das in die Zwischenräume des Federelementes 1 eingegossen wird, zu kombinieren. Nicht nur das Dämpfungsverhalten, sondern auch die Eigenfrequenz des Federgesamtsystemstassen sich unter Verwendung geeigneter Zusatzdämpfungsstoffe individuell beeinflussen. Ein entsprechend gedämpftes, zwischen einer oberen Platte 13 und einer unteren Platte 14 eingespanntes Federelement 1 ist aus 4 zu entnehmen. Hierbei handelt es sich um einen quadratisch ausgebildeten Flachkörper 2, der jeweils zwei Erhebungen 61, 62 auf einer Begrenzungsebene vorsieht. Die in der Bilddarstellung schwarz eingezeichneten Felder stellen die mit Dämpfungsmaterial 15 ausgefüllten Zwischenräume innerhalb des Federelementes 1 dar. Auf diese Weise lässt sich, wie vorstehend beschrieben, das Dämpfungsverhalten sowie die Eigenfrequenzschwingungen beeinflussen und einstellen.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Federelementes dargestellt, das über einen Flachkörper 2 verfügt, der eine obere Begrenzungsebene 4 und eine untere Begrenzungsebene 5 aufweist, die durch ein Dickenmaß d voneinander beabstandet sind. An der oberen Begrenzungsebene 4 sind linear verlaufende Erhebungen 61, 62 etc. vorgesehen, die hohlkehlenartig ausgebildete Auswölbungen darstellen und aus dem Material, aus dem der Flachkörper gefertigt ist, bestehen. Zwei auf einer Begrenzungsebene zueinander benachbart verlaufende Erhebungen weisen dabei einen Abstand p auf. Mittig zwischen den durch den Abstand p voneinander angeordneten Erhebungen auf der oberen Begrenzungsebene 4 sind entsprechende Erhebungen 71, 72 etc. an der unteren Begrenzungsebene 5 angebracht. Auch diese weisen einen gegenseitigen Abstand p auf. Projiziert man alle an der oberen und unteren Begrenzungsebene befindlichen Erhebungen in eine gemeinsame Projektionsebene, so weisen zwei unmittelbar benachbarte Erhebungen, beispielsweise 61, 71 , einen gegenseitigen Abstand von p/2 auf. Vorzugsweise sind die Erhebungen 61, 71 durch einen Zwischensteg 16 voneinander beabstandet. Dieser trägt vornehmlich zu den Federeigenschaften des Federelementes 1 bei. Im Extremfall kann der Stegbereich 16 durch unmittelbares Aneinandergrenzen zweier benachbarter Erhebungen 61, 71 entfallen, wodurch eine maximale Federhärte erreicht wird. Um jedoch ein lineares Federverhalten zu erhalten, ist es vorteilhaft, die Breite des Zwischenstegs 18 endlich groß zu wählen, vorzugsweise in der Größenordnung der lateralen Dimension jeder einzelnen Erhebung.
Auch ist es denkbar längs die Periodizität p der einzelnen Erhebungen nicht über die gesamte laterale Flächenerstreckung des Federelementes gleich zu wählen. So können innerhalb einer Feder Bereiche mit unterschiedlicher Federhärten dadurch geschaffen werden, indem der Abstand der Erhebungen gezielt variiert oder abwechselnd zwischen festen Größen p1 und p2 gewechselt wird.
Wie das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt, weisen die Erhebungen jeweils einen U-förmigen Querschnitt auf, der jedoch geeignete Abwandlungen in weiteren Ausführungsbeispielen erfahren kann. Beispielsweise eignen sich auch V-förmige Querschnitte oder davon abweichende Querschnittsformen.
Zur Herstellung der in 5 dargestellten Federvariante eignen sich grundsätzlich Umformverfahren, wie beispielsweise Präge- oder Stanzverfahren. Auch ist die Umfangskontur nicht an die in 5 dargestellte viereckige bzw. quadratische Umfangskontur gebunden, vielmehr kann die Umfangskontur des Federelementes gemäß Ausführungsbeispiel in 5 beliebige, an den jeweiligen Verwendungszweck angepasste Umfangskonturen annehmen, so beispielsweise runde, ovale etc. Umfangskonturformen.
Die vorstehend beschriebenen Federelemente verfügen über ein ermüdungsfreies bzw. hysteresefreies Federverhalten mit einem über eine entsprechende Dimensionierung der das Federelement bestimmenden Strukturgrößen definiert einstellbaren Federweg. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Feder ist wesentlich besser als bei allen bekannten Federarten, beispielsweise Tellerfedern oder Spiralfedern. Der Federweg ist durch ein gezieltes Stapeln der Federelemente individuell veränderbar. Darüber hinaus kann auch ein Vorspannen gestapelter Federelemente extern, d.h. durch äußere Krafteinwirkung, variabel eingestellt werden. Ein Beispiel hierfür ist im Ausführungsbeispiel gemäß 3 unter Verwendung einer Schraubenverbindung dargestellt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Feder können im Gegensatz zu bekannten Federanordnungen, wie beispielsweise Tellerfedern, wesentlich höhere Federkräfte generiert werden, trotz kleineren geometrischen Bauformen, so dass auch ihr Einsatz in der Mikrotechnik von hohem Interesse ist. Durch die nahezu freie Wahl der Geometrie der Erhebungen und den damit verbundenen Auflageflächen, die punkt- oder linienförmig oder auch flächig ausgelegt werden können, können Reibungseffekte gezielt genutzt bzw. vermieden werden.
Eine besondere Anwendung der erfindungsgemäßen Federelemente ist überall dort gegeben, wo es gilt hohe Druck- bzw. Zugkräfte ermüdungsarm oder ermüdungsfrei zu übertragen. Eine derartige Anwendung ist beispielsweise in der Schienentechnik zu finden. Auch Brückenstützpunkte oder Maschinenlager können mit der erfindungsgemäßen Feder schwingungsdämpfend gelagert werden. Das Dämpfungs- und Schwingungsverhalten kann darüber hinaus durch gezielten zusätzlichen Einsatz von Füllstoffen, wie Elastomeren, z.B. Kautschuk oder Silikon, wie vorstehend beschrieben, eingestellt werden.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Federelementes erlaubt den Einsatz einfachster Fertigungsmethoden, wie beispielsweise die Stanz- oder Zuschneidetechnik, wie beispielsweise das Wasserstrahlschneiden, oder Laserschneiden. Selbstverständlich sind auch alle gießtechnischen Möglichkeiten einsetzbar, wie bereits erwähnt. Das Stapeln der beschriebenen Federelemente kann beispielsweise durch nach dem Stand der Technik bekannten Schweißverfahren, durch Vernieten oder anderer Technologien, wie Klebetechniken, Löten oder weiteren bekannten Fügetechniken, gefügt werden. Auch ist ein Stapeln mittels Sicken oder allgemeiner Positionierhilfen ohne Fügen selbstverständlich möglich.

1: Federelement
2: Flachkörper
3: Ausnehmung, Öffnung
4: Obere Begrenzungsebene
5: Untere Begrenzungsebene
61, 62: Erhebungen
71, 72: Erhebungen
8: Flachkörpersegmentbereich
9: Schraubverbindung
10: Schraube
11: Mutter
12: Unterlage
13: Obere Platte
14: Untere Platte
16: Dämpfungsstoff
17: Zwischenstegbereich

Claims

Federelement, ausgebildet als Flachkörper, der eine obere und eine untere Begrenzungsebene aufweist, die durch ein Dickenmaß d voneinander getrennt angeordnet sind, mit jeweils n ≥ 2 lokal begrenzten, jeweils über die obere und untere Begrenzungsebene ragenden Erhebungen, die jeweils um eine die obere und untere Begrenzungsebene senkrecht schneidende Achse A gleich verteilt mit Winkelabständen 2π/n derart angeordnet sind, dass die n Erhebungen sowohl an der oberen als auch an der unteren Begrenzungsebene in Projektion zur Achse A in einer gemeinsamen virtuellen Projektionsebene um die Achse A gleich verteilt mit Winkelabständen π/n angeordnet sind.
Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen eine zur Achse A radiale Erstreckung aufweisen, die linienhaft ausgebildet sind oder sich flächig mit zunehmenden radialen Abstand sektoriell aufweiten.
Federelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkörper eine Öffnung aufweist, die von der Achse A durchsetzt ist.
Federelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse A die Öffnung mittig durchsetzt.
Federelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkörper einen äußeren Umfangsrand aufweist, der zu einem inneren Umfangsrand, der die Öffnung einbeschreibt, parallel verläuft.
Federelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere und innere Umfangsrand kreisrund oder vieleckig, insbesondere dreieckig, quadratisch oder rechteckig ist, oder eine von einer Kreisform abweichende Rundform aufweist, vorzugsweise oval oder elliptisch.
Federelement, ausgebildet als Flachkörper, der eine obere und eine untere Begrenzungsebene aufweist, die durch ein Dickenmaß d voneinander getrennt angeordnet sind, mit jeweils über die obere und untere Begrenzungsebene ragenden Erhebungen, die zumindest in einem begrenzten Bereich des Flachkörpers jeweils mit einer Periodizität p, d.h. Abstand zweier benachbarter Erhebungen längs einer Begrenzungsebene, derart angeordnet sind, dass sowohl die Erhebungen an der oberen als auch an der unteren Begrenzungsebene in Projektion längs einer senkrecht die obere und untere Begrenzungsebene schneidenden Achse A in einer virtuellen Projektionsebene eine Periodizität von p/2 zueinander aufweisen.
Federelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen an der oberen und unteren Begrenzungsebene eine lineare Längserstreckung aufweisen und parallel zueinander verlaufen.
Federelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten begrenzten Bereich des Flachkörpers die Erhebungen mit einer ersten Periodizität p₁ und in einem zweiten Bereich des Flachkörpers die Erhebungen mit einer Periodizität p₂ angeordnet sind.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen einen punkt- oder linienförmigen oder flächigen Bereich aufweisen, der einen maximalen senkrechten Abstand (s) zu der jeweiligen Begrenzungsebene aufweist, und dass diese Bereiche der an der oberen Begrenzungsebene angeordneten Erhebungen eine Ebene, die sogenannte obere Auflageebene, aufspannen, und dass diese Bereiche der an der unteren Begrenzungsebene angeordneten Erhebungen eine Ebene, die sogenannte untere Auflageebene, aufspannen.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen an den Flachkörper gefügt sind und aus einem Material bestehen, das wenigstens die Härte des Flachkörpers aufweist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen aus dem Material des Flachkörpers bestehen und einstückig mit diesem verbunden sind.
Federelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen im Wege eines Umform-, Gieß- oder Materialabtragevorganges hergestellt sind.
Federelement nach Anspruch 7, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen aus dem Material des Flachkörpers geformte hohlkehlenartig ausgebildete Längsprofile sind.
Federelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Längsprofil einen runden oder eckig ausgebildeten U-förmigen Querschnitt oder einen V-förmigen Querschnitt aufweist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen längs einer Begrenzungsfläche eine laterale Dimension besitzen, d.h. eine Erstreckung parallel zur jeweiligen Begrenzungsfläche in Richtung eine benachbart gelegenen Erhebung, die gleich oder vorzugsweise kleiner als der laterale Abstand zweier benachbarter Erhebungen längs einer Begrenzungsfläche ist.