DE19514701C2 - Feder mit konischer Innen- und Außenwicklung mit axial verschieblichem Kolben - Google Patents
Feder mit konischer Innen- und Außenwicklung mit axial verschieblichem KolbenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Federanordnung. Insbesondere be
trifft sie eine verbesserte Federanordnung, die die Wirkungs
weise einer Zugfeder mit der einer Druckfeder kombiniert, die
durch die Längsbewegung eines Kolbens verursacht werden, der
sich durch eine Doppelschraubenfeder erstreckt.
Herkömmlich werden Schraubenfedern als erschütterungsfreie Un
terlage oder zum elastischen Entkoppeln verschiedener Bauteile
oder Maschinenelemente verwendet. Üblicherweise wird die
Schraubenfeder zwischen einem Paar relativ zueinander bewegli
chen Oberflächen oder Elementen angeordnet, die, wenn sie sich
aufeinander zu bewegen, die Feder zusammendrücken. Ein Abfallen
des Drucks dieser Elemente führt dazu, dass die Feder wieder
ihre Ausgangsgröße annimmt. Die Elemente, zwischen denen die
Feder zusammengedrückt ist, können aus einem kolbenähnlichen
Bauteil, das innerhalb der Schraubenfeder angebracht ist und
diese hält, und einem Auflagebauteil bestehen. Die beiden Bau
teile sind relativ zueinander beweglich, d. h. eines der Bautei
le kann sich auf das andere zu und von diesem wegbewegen.
Aus der US 653,155 ist eine Schraubenfeder bekannt, die sich
insbesondere für Polstermöbel eignet. Die Schraubenfeder ist
nach Art einer Doppel-Schraubenfeder ausgebaut und umfasst eine
Außen- und eine Innenwicklung.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Federanordnung bereitzustellen,
die bei kompakter Bauweise große Kräfte aufnehmen kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Federanordnung mit den Merk
malen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Die Erfindung betrifft eine Schraubenfeder mit einer Innenwick
lung, die von einer Außenwicklung umgeben ist. Die Innenwick
lung ist um einen kegelig ausgebildeten Kolben gewunden, der
sich bei Längsbewegung innerhalb der ihn umgebenden Windungen
an die Innenwicklung anschmiegt und diese federnd streckt,
bevor er die Außenwicklung zusammendrückt. Dadurch wird die
durch die Innenwicklung verursachte Zugwirkung mit der durch
die Außenwicklung verursachten Druckwirkung kombiniert. Diese
Doppel- oder Kombinationsschraubenfederanordnung stellt, ver
glichen mit herkömmlichen, viel verwendeten Schraubenfedern,
eine relativ kompakte, starke Feder dar.
Durch die Erfindung wird eine Schraubenfeder bereitgestellt,
die so gewickelt ist, dass eine Innenwicklung von einer eintei
lig damit ausgebildeten Außenwicklung umgeben ist. Die Feder
wicklungen sind koaxial um einen kegeligen Kolben angeordnet.
Der Kolben, der die Form eines Kegels oder Kegelstumpfes be
sitzen kann, ist so angeordnet, dass er innerhalb der ihn um
gebenden Federwicklungen längs bewegbar ist. Die Windungen der
Innenwicklung der Schraubenfeder, deren Durchmesser allmählich
zunehmen, um die Kolbenoberfläche zu überziehen, schmiegen sich
an die äußere, kegelig geformte oder abgeschrägte Oberfläche
des Kolbens. Die Innen- und Außenwicklung sind einstückig ausgebildet
und durch eine Übergangswicklung miteinander verbun
den, die an einem radial nach außen ausgeformten Bund am
größeren Ende des Kolbens anschmiegt. Das freie Ende der Innen
wicklung ist an einer festen Auflage verankert, während das
freie Ende der sie umgebenden Außenwicklung sich an einer Anla
gefläche anliegt. Die Schraubenfeder kann aus einem langge
streckten, sich verjüngenden Draht gefertigt sein, dessen Quer
schnittsgröße allmählich entlang seiner Länge zunimmt, aber
eine im wesentlichen gleichmäßige Querschnittsform besitzt.
Sobald eine Kraft auf den Kolben ausgeübt wird, bewegt sich
dieser längs innerhalb der ihn umgebenden Schraubenfeder, legt
sich eng an die ihn umgebenden Windungen der Innenfeder an, um
diese zu dehnen oder zu strecken. Durch eine weitere Bewegung
des Kolbens legt sich die Übergangswicklung an den Bund des
Kolbens an, so dass eine zusätzliche Bewegung des Kolbens die
Außenwicklung zwischen Bund und Anlagefläche zusammendrückt.
Somit bewirkt die Bewegung des Kolbens eine anfängliche Dehnung
oder Streckung der Innenwicklung und ein sich daran anschlie
ßendes Zusammendrücken der Außenwicklung.
Ein Ziel der Erfindung ist, eine Federanordnung zu schaffen,
die eine verbesserte, federnde Anordnung zum Vorspannen inner
halb eines kompakten Raumes bereitstellt, dabei aber eine rela
tiv preiswerte Feder verwendet. Das heißt, die sich durch die
Bewegung des Kolbens in Richtung der Anlagefläche ergebende
Federkraft nimmt aufgrund der Kombination von Innen- und Außen
wicklung und dem Anschmiegen der Windungen der Innenwicklung an
die Oberfläche des sich bewegenden Kolbens außerordentlich zu.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine relativ preiswerte,
starke und einfach aufgebaute Federanordnung zu schaffen, die
an Stellen, an denen relativ starke Federn erforderlich sind,
verwendet werden kann. Beispielsweise kann diese Feder als Teil
der Aufhängung oder der Radlagerung von Eisenbahnwagons oder
als elastische Auflage für große und schwere Maschinen oder
Behälter verwendet werden. Entsprechend kann diese Federanord
nung auch an anderen Stellen eingesetzt werden, an denen hoch
belastbare, kompakte Federn erforderlich sind.
Ferner ist ein Ziel der Erfindung, eine einfache Federanordnung
zu schaffen, deren Federungsvermögen einen normal erwarteten
Betrag deutlich übersteigt, wenn die Feder zwischen einem Paar
relativ zueinander beweglichen Gegenständen zusammengedrückt
ist.
Diese und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus
der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung
ersichtlich. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer zusammengesetzten Federan
ordnung;
Fig. 2 eine Seitenansicht der Federanordnung, bei der die
Bauteile auseinandergenommen sind;
Fig. 3 eine Seitenansicht, die die Bewegung des Kolbens re
lativ zu den Federwicklungen zeigt;
Fig. 4 eine vergrößerte, gebrochene Schnittansicht, die die
Verjüngung des Drahtes darstellt, aus dem die Schrau
benfeder hergestellt ist;
Fig. 5 eine geschnittene Ansicht einer Windung, deren Quer
schnittsform konstant ist, deren Querschnittsgröße
aber mit der Länge zunimmt; und
Fig. 6 eine Ansicht, die der in Fig. 5 gleicht, aber einen
Federdraht mit mehreckiger Querschnittsform zeigt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Federanordnung mit einem ke
geligen oder abgeschrägten Kolben 10. Der Kolben 10 kann im
wesentlichen als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet sein, um
eine konische Außenfläche 11 bereitzustellen. Durch diese ke
gelige oder abgeschrägte Ausführung besitzt der Kolben 10 ein
schmales Ende 12 und ein großes Ende 13. Am großen Ende 13 ist
ein sich radial nach außen erstreckender Bund 14 ausgebildet.
Der Bund 14 kann entweder als vollständiger Ring, der den Kol
ben 10 umgibt, oder in Form von partiellen oder unterbrochenen
Bundelementen ausgebildet sein.
Der Kolben 10 ist innerhalb einer diesen umgebenden Doppel
schraubenfeder 15 angebracht. Vorzugsweise ist die Doppel
schraubenfeder 15 aus einem längsgestreckten, sich verjüngenden
Draht 16 (siehe Fig. 4) gefertigt. Der Draht kann aus einem
elastischen, drahtähnlichen Metall oder Kunststoffmaterial her
gestellt sein. Vorzugsweise hat der Draht 16 eine im wesent
lichen einheitliche Querschnittsform, deren Größe jedoch va
riieren kann, um eine erwünschte Verjüngung entlang der Länge
des Drahtes 16 zu schaffen. Die Querschnittsformen können,
abhängig von den gewünschten Wirkungen, variiert werden. Bei
spielsweise kann der Draht 16 eine kreisförmige Querschnitts
form 17 (siehe Fig. 5) haben, alternativ kann er eine meh
reckige Querschnittsform 18 (siehe Fig. 6) besitzen. Der Draht
16 kann jedoch auch eine im wesentlichen gleichmäßige Quer
schnittsgröße und -form über seine Länge haben.
Die Doppelschraubenfeder 15 ist aus einer Innenwicklung 20 ge
bildet, die von einer Außenwicklung 21 umgeben ist. Die zwei
Wicklungen 20, 21 sind einstückig ausgebildet und durch eine
Übergangswicklung 22 miteinander verbunden. Die Innenwicklung
21 nimmt über die Länge der Windung im Durchmesser zu, um sich
während der Bewegung des Kolbens 10 an diesen eng anzuschmiegen
und diesen zu erfassen. Die Außenwicklung 21 kann gleichfalls,
ausgehend von der Übergangswicklung 22, zu einem freien Ende 27
der Außenwicklung 21 im Durchmesser zunehmen. Alternativ kann
die Außenwicklung 21 einen im wesentlichen konstanten Wickel
durchmesser besitzen.
Wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt, legt sich die Über
gangswicklung 22 an den Bund 14 des Kolbens 10 an, wenn der
Kolben 10 innerhalb der ihn umgebenden Doppelschraubenfeder 15
axial bewegt wird.
Ein freies Ende 25 der Innenwicklung 20, das die kleinste
Querschnittsgröße des Drahtes 16 besitzt, ist an einer festen
Verankerung oder Auflage 26 befestigt, während das freie Ende
27 der Außenwicklung 21 sich an eine Anlagefläche 28 anlegt
oder mit dieser verbunden ist. Die Anlagefläche 28 kann in
Größe und Form variieren. Sie ist zum Zwecke der Illustration
als Oberfläche eines Ringes 29 ausgebildet. Entsprechend kann
die feste Verankerung 26 am gleichen Ring oder einem benach
barten Bauteil (nicht dargestellt) ausgebildet sein.
Der Kolben 10 kann mit einem Druckmittel 30 in Eingriff stehen,
das schematisch dargestellt ist. Wenn auf das große Ende 13 des
Kolbens 10 Druck ausgeübt wird, bewegt sich der Kolben 10 längs
oder axial innerhalb der ihn umgebenden Wicklungen 20, 21. Wenn
der Kolben 10 bewegt wird, wie in Fig. 3 durch Pfeil 31
dargestellt, schmiegen sich die ihn umgebenden Windungen der
Innenwicklung 20 an die kegelige Außenfläche 11 des Kolbens 10
eng an. Eine fortgesetzte Längsbewegung des Kolbens 10 sorgt
für ein Strecken oder Aufbringen einer Längskraft auf den
Drahtabschnitt, der die Windungen definiert, die am Kolben 10
anliegen. Dadurch wird eine Dehnung oder eine Kraft, ähnlich
der Kraft bei einem Faßreifen, im Draht der Windungen
verursacht, die den bewegenden Kolben 10 umgeben.
Eine fortgesetzte Bewegung des Kolbens 10 führt zu einem engen
Anschmiegen der Übergangswicklung 22 an den Bund 14. Die weitere
Bewegung des Kolbens 10 führt zu einem Zusammendrücken der
Außenwicklung 21 zwischen dem Bund 14 des Kolbens 10 und der
Anlagefläche 28. Dadurch wird eine elastische Druckkraft ge
schaffen, die zu der federnden Dehnungskraft der Innenwicklung
20 hinzukommt. Wenn die Doppelschraubenfeder 15 aus einem sich
verjüngenden Draht gebildet ist, nimmt die Federkraft entspre
chend während der fortgesetzten Bewegung des Kolbens 10 inner
halb der Doppelschraubenfeder 15 zu.
Durch die zusammengesetzte Federanordnung wird eine kompakte
Vorrichtung geschaffen, die relativ preiswert und einfach im
Aufbau ist. Die Federanordnung kann an Stellen verwendet wer
den, die hohe Federkräfte erforderlich machen, aber der Platz
für die Feder beschränkt ist. Somit können die Anwendungen für
diese Anordnung variiert werden. Wie oben bereits erwähnt, sind
Anwendungsbeispiele dieser Federanordnungen die Radaufhängung
eines Eisenbahnwagons oder die Federn, die verwendet werden, um
Eisenbahnwagons zu trennen oder um die Kräfte aufzunehmen, die
entstehen, wenn Eisenbahnwagons beim Aneinanderkuppeln aufein
anderprallen. Die Doppelschraubenfeder kann aus einem Draht aus
geeignetem Kunststoffmaterial, aus einem hohlen Kunststoff oder
einem Metallmaterial hergestellt sein. Alternativ können die
Doppelschraubenfedern aus einer Mischung aus gesintertem Metall
und Kunststoffpulver hergestellt sein, deren Verwendung das Ge
wicht der Federanordnung verringert. Die Auswahl des jeweiligen
Materials kann basierend auf der erforderlichen Festigkeit und
Elastizität und zur Begrenzung der Kosten durch den Fachmann
erfolgen.
Die Größen und Formen der Doppelschraubenfeder und der Kolben
elemente können, abhängig vom jeweiligen Verwendungszweck und
den dafür erforderlichen Federkräften, beträchtlich variiert
werden.
Claims (10)
1. Federanordnung dadurch gekennzeichnet, daß ein axial ver
schieblicher Kolben (10) mit im wesentlichen kegelförmi
ger Außenfläche (11), mit einem schmalen Ende (12), mit
einem großen Ende (13) und mit einem sich vom großen Ende
(13) radial nach außen erstreckenden Bund (14) vorgesehen
ist;
daß eine Feder vorgesehen ist, hergestellt aus einem längs gestreckten Draht (16) aus elastischem drahtähnli chem Material, der gewickelt eine Innenwicklung (20) und eine Außenwicklung (21) ausbildet, die einstückig durch eine Übergangswicklung (22) miteinander verbunden sind, wobei die Außenwicklung (21) die Innenwicklung (20) und den Kolben (10) umgibt und koaxial mit diesen verläuft;
daß die Innenwicklung (20) die Außenfläche (11) des Kol bens (10) ausgehend vom schmalen Ende (12) zum Bund (14) hin bedeckt und diese eng umgibt, wobei die Durchmesser der aufeinanderfolgenden Windungen der Innenwicklung (20) zunehmen, um dem Abschnitt der Außenfläche (11) des Kol bens (10) zu entsprechen, der durch die jeweilige Windung bedeckt ist;
daß die Übergangswicklung (22) benachbart zum Bund (14) angeordnet ist,
daß sich die Außenwicklung (21) im wesentlichen über die Länge des Kolbens (10) erstreckt und mit Abstand um den Kolben (10) und die Innenwicklung (20) angeordnet ist;
daß die Außenwicklung (21) ein freies Ende (27) besitzt, das an einer Anlagefläche (28) anliegt;
daß ein freies Ende (25) der Innenwicklung (20) mit einer Auflage (26) im Eingriff steht; und
daß der Kolben (10) und die Anlagefläche (28) relativ aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, um eine Druckkraft in im wesentlichen axialer Richtung des Kol bens (10) und der Wicklungen (20, 21) aufzubringen, wo durch sich die Windungen der Innenwicklung (20) eng an die Außenfläche (11) des Kolbens (10) anschmiegen, wenn sich der Kolben (10) innerhalb der Innenwicklung (20) re lativ bewegt, um die Innenwicklung (20) um die Außenflä che (11) des Kolbens (10) zu strecken und um die Außen wicklung (21) axial zwischen Bund (14) und Anlagefläche (28) zusammenzudrücken.
daß eine Feder vorgesehen ist, hergestellt aus einem längs gestreckten Draht (16) aus elastischem drahtähnli chem Material, der gewickelt eine Innenwicklung (20) und eine Außenwicklung (21) ausbildet, die einstückig durch eine Übergangswicklung (22) miteinander verbunden sind, wobei die Außenwicklung (21) die Innenwicklung (20) und den Kolben (10) umgibt und koaxial mit diesen verläuft;
daß die Innenwicklung (20) die Außenfläche (11) des Kol bens (10) ausgehend vom schmalen Ende (12) zum Bund (14) hin bedeckt und diese eng umgibt, wobei die Durchmesser der aufeinanderfolgenden Windungen der Innenwicklung (20) zunehmen, um dem Abschnitt der Außenfläche (11) des Kol bens (10) zu entsprechen, der durch die jeweilige Windung bedeckt ist;
daß die Übergangswicklung (22) benachbart zum Bund (14) angeordnet ist,
daß sich die Außenwicklung (21) im wesentlichen über die Länge des Kolbens (10) erstreckt und mit Abstand um den Kolben (10) und die Innenwicklung (20) angeordnet ist;
daß die Außenwicklung (21) ein freies Ende (27) besitzt, das an einer Anlagefläche (28) anliegt;
daß ein freies Ende (25) der Innenwicklung (20) mit einer Auflage (26) im Eingriff steht; und
daß der Kolben (10) und die Anlagefläche (28) relativ aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, um eine Druckkraft in im wesentlichen axialer Richtung des Kol bens (10) und der Wicklungen (20, 21) aufzubringen, wo durch sich die Windungen der Innenwicklung (20) eng an die Außenfläche (11) des Kolbens (10) anschmiegen, wenn sich der Kolben (10) innerhalb der Innenwicklung (20) re lativ bewegt, um die Innenwicklung (20) um die Außenflä che (11) des Kolbens (10) zu strecken und um die Außen wicklung (21) axial zwischen Bund (14) und Anlagefläche (28) zusammenzudrücken.
2. Federanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der langgestreckte Draht (16) sich entlang seiner
Länge verjüngt, wobei sich die Größe seiner Querschnitts
form kontinuierlich ausgehend vom freien Ende (25) der
Innenwicklung (20) zum freien Ende (27) der Außenwicklung
(21) vergrößert.
3. Federanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Windungen der Au
ßenwicklung (21) ausgehend von der Übergangswicklung (22)
zum freien Ende (27) der Außenwicklung (21) stetig zuneh
men.
4. Federanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Übergangswicklung (22), die
die Innenwicklung (20) mit der Außenwicklung (21) eintei
lig verbindet, so angeordnet ist, daß sie am Bund (14)
des Kolbens (10) anliegt und von diesem in axialer Rich
tung verschoben wird, nachdem sich die Windungen der In
nenwicklung (20) eng an die Außenfläche (11) des Kolbens
(10) anschmiegen und von dieser federnd gestreckt sind.
5. Federanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der langgestreckte Draht (16) sich
stetig entlang seiner Länge vom freien Ende (25) der Innenwicklung
(20) zum freien Ende (27) der Außenwicklung
(21), verjüngt, so daß seine Querschnittsform kontinu
iertlich an Größe zunimmt.
6. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (16) einen im we
sentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzt.
7. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (16) einen meh
reckigen Querschnitts besitzt.
8. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jeder Windung
der Außenwicklung (21) von Windung zu Windung, ausgehend
von der Übergangswicklung (22), die am Bund (14) des Kol
bens (10) anliegt, zum freien Ende (27), das an der Anla
gefläche (28) anliegt, stetig zunimmt.
9. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagefläche (28) befe
stigt und der Kolben (10) bei einer auf ihn aufgebrachten
Belastung in Richtung zur Anlagefläche (28) bewegbar ist.
10. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangswicklung (22),
die die Innenwicklung (20) mit der Außenwicklung (21)
einteilig miteinander verbindet, so groß ausgebildet ist,
daß sie am Bund (14) des Kolbens (10) anliegt und von
diesem axial verschoben wird, wenn sich die Innenwicklung
(20) eng an die Außenfläche (11) des Kolbens (10) an
schmiegt und von dieser gestreckt ist, wobei die Anlage
fläche (28) befestigt und der Kolben (10) axial unter ei
ner auf ihn wirkenden Kraft in axialer Richtung bewegbar
ist.
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