DE2757892B2 - Federmembrane - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Federmembrane mit Federzungen und zusätzlichen Ausnehmungen in den Federzungenwurzeln.

Federmembranen sind im unbelasteten Zustand, je nach der gewünschten Federcharakteristik, eben bzw. mehr oder weniger steil konisch aufgestellt Dabei bildet die von den Federzungen freie Randzone in Gestalt eines Federrings das eigentliche Federelement, von dem die Federzungen je nach dem Anwendungsfall nach innen und/oder außen hin vorstehen. Diese Federzungen dienen zur Lagerung der Membrane und/oder insbesondere zur Kraftübertragung, indem sie als den Federweg verlängernde Hebel unter entsprechender Verminderung der Federkraft wirken.

Im entlasteten Zustand weist eine konisch aufgestellte Membrane die Gestalt eines Kegelstumpfes auf, d. h. sowohl der Federring als auch die Federzungen sind in Umfangsrichtung gesehen entsprechend einer Kegelmantelfläche gekrümmt. Beim Durchfedern in axialer Richtung ändert sich die Konizität des Federrings, bis sich eine Planlage ergibt, nach deren Durchfahren wieder ein in die entgegengesetzte Richtung weisender Kegelstumpf entsteht. Demgegenüber verändern die Federzungen beim Durchfedern ihre Gestalt nicht, d. h. die Federzungen behalten über den gesamten Federweg hinweg ihre ursprüngliche Krümmung bei. Aus diesem Grunde kann sich der Federring in den Bereichen der Federzungenwurzeln, also in den Übergangsbereichen zwischen dem Federring und den Federzungen, wo der Federring sozusagen aufgehängt ist, beim Durchfedern nicht frei verformen. Dies hat zur Folge, daß der Federring im gespannten Zustand in Umfangsrichtung gesehen eine gewellte Form einnimmt, wobei in den Federzungenwurzeln Wellenberge und zwischen den Federzungenwurzeln Wellentäler auftreten. Diese Wellung nimmt mit zunehmendem Federweg zu. Desgleichen tritt die Wellung um ^co auffälliger in Erscheinung, je schmaler der Federring und je breiter die Federzungen im Bereich ihrer Wurzeln sind. Der Verlauf der Spannungslinien läßt sich dem »Bericht über spannungsoptische Untersuchungen einer Zungentellerfeder« von Prof. Dr.-1 ng. Ernst Mönch, datierend vom 29.1. 1959, entnehmen, in dem der Einfluß der Gestalt von an den federringseitigen Enden der die Federzungen voneinander trennenden Schlitze vorgesehenen Aussparungen auf die am Rand der Aussparungen auftretende Spannungserhöhung infolge Kerbwirkung untersucht wird.

Die gleiche Erscheinung läßt sich analog bei der im Ausgangszustand flachen Membrane beobachten. Hier nimmt der Federring beim Durchfedern eine konische Form mit wachsendem Anstellwinkel an, während die Federzungen in ihrer ebenen Form verharren. So kommt es in den Bereichen der Zungenwurzeln zu vergleichbaren Behinderungen und Verformungen wie

ίο beschrieben.

Der soeben diskutierte Effekt bringt mit sich, daß bei einer dynamischen Beanspruchung den normalen Spannungen zusätzliche Biegespannungen fiberlagert sind, die ihr Maximum im Bereich des Federrings

is zwischen den Federzungen besitzen und dort verfrüht zu radial verlaufenden Brüchen führen. Des weiteren ergibt sich eine oft unerwünschte Beeinflussung und Verfälschung der Federkennlinie. So täuscht bei einer im Ausgangszustand konisch aufgestellten Membrane der Einfluß der Federzungen eine größere Breite und damit eine größere lichte Höhe des ungespannten Federringes vor, was einer Vergrößerung des die Federkennlinie bestimmenden Verhältnisses von lichter Höhe und Materialstärke entspricht Dies wirkt sich auf die Federkennlinie derart aus, daß eine ursprünglich stetig ansteigende Kennlinie mehr oder weniger stark degressiv verläuft bzw. daß bei einer teilweise negativ verlaufenden Kennlinie das Druckmaximum zu höheren und das Druckminimum entsprechend zu niedrigeren Kräften verschoben wird.

Prinzipiell könnte man den erwähnten ungünstigen Einfluß dadurch verringern, daß man die Anzahl der Federzungen erhöht, wodurch die Zungenwurzeln schmäler werden würden. Einer solchen Vergrößerung

j5 der Anzahl der Federzungen sind jedoch aus konstruktiven und anderen Gründen Grenzen gesetzt. Zum Beispiel muß bei Membranen mit nach innen gerichteten Federzungen, die auf einem kleinen Innendurchmesser endigen, schon aus fertigungstechnischen Gründen die Breite der freien Enden der Vorsprünge größer als die Materialstärke sein. Auch der Verschleiß der freien Enden der Federzungen ist eine Funktion von deren Breite. Hierdurch wird die Anzahl der Federzungen bzw. der diese voneinander trennenden Schlitze nach oben hin begrenzt, so daß sich für die Zungenwurzeln eine Mindestbreite ergibt.

Um unter Beibehaltung der Breite der freien Zungenenden die Zungen flexibler zu gestalten, ist bei der Kupplungsmembrane nach der FR-AS 23 11 221

so vorgesehen, daß innerhalb der Federzungen jeweils ein endseitig geschlossener zusätzlicher Schlitz verläuft, durch den die zugehörigen Federzungen in zwei am freien Zungenende miteinander verbundene Zungenhälften unterteilt werden. Am dem Federring zugewandten Ende laufen diese zusätzlichen Schlitze in zusätzlichen Ausnehmungen aus, die ebenso wie die Aussparungen der die Federzungen voneinander trennenden Schlitze zum Durchführen von Verbindungsbolzen dienen und deshalb die gleiche Gestalt wie die Aussparungen aufweisen sowie auf dem gleichen Radius wie diese angeordnet sind. Die zusätzlichen Schlitze und Ausnehmungen gemäß der FR-AS 2311221 mögen zwar auch eine Verbesserung des Spannungsverlaufs in den Zungenwurzelbereichen mit

ή5 sich bringen. Infolge der zusätzlichen Schlitze wird jedoch die Stabilität der Federzungen herabgesetzt und am dem freien Zungenende zugewandten Ende des jeweiligen zusätzlichen Schlitzes treten Kerbspannun-

gen auf, die den Verschleiß erhöhen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der Kupplungsmembrane nach der FR-PS 23 11 221 eine Membrane der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Einfluß der Federzungen auf die Federkennlinie weiter verringert und deren Lebensdauer erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zusätzlichen Ausnehmungen ringförmig au-gebildet sind, wobei ihre Achsen in radialer Richtung kleiner oder gleich ihren Achsen in Umfangsrichtung sind, und daß diese Ausnehmungen in radialer Richtung gesehen in die einen Federring bildende Randzone hineinragen.

Bei der erfindungsgemäßen Membrane entfallen also '5 die im Falle der FR-AS 23 11221 vorhandenen zusätzlichen Schlitze in den Federzungen, so daß bereits aus diesem Grunde die Stabilität der Zungen erhöht und deren Verschleiß vermindert wird. Des weiteren erhält man durch das Hineinragen der Ausnehmungen in die Randzone eine Verbesserung der Federkennlinie, indem hierdurch die sich in die Zungen hinein ausbauchenden Spannungslinien nach außen verschoben werden, so daß für die Spannungslinien sozusagen ein Glättungseffekt entsteht

Die genannten Maßnahmen verringern außerdem die Gefahr von radial verlaufenden Brüchen im Bereich des Federrings zwischen den Federzungen.

Bei den Kupplungsmembranen nach der FR-PS 14 46 792 und der GB-PS 12 72 453 endigen die die ω Federzungen trennenden Schlitze abwechslungswjise in zwei Arten von Aussparungen, nämlich zum einen in zum Durchführen von Verbindungsbolzen dienenden größeren und zum anderen in kleineren Aussparungen, die für die Verbindungsbolzen nicht benötigt werden & und zur Erhöhung der Federsteifheit mit geringerem Querschnitt ausgebildet sind. Da die Schlitzlängen gleich sind, ist der dem Federring zugewandte Rand der kleineren Aussparungen vom Federring weg versetzt. Ganz abgesehen davon, daß es sich hier bereits wegen des Fehlens der zusätzlichen Ausnehmungen in den Federzungenwurzeln um eine gattungsmäßig andere Federmembrane handelt, so daß auch keines der sich auf die Ausbildung und Anordnung der zusätzlichen Ausnehmungen beziehenden Effekte verwirklicht ist, <"> erhält man in diesen bekannten Fällen durch das Wegrücken der kleineren Aussparungen vom Federring eine noch ungünstigere Wellenbildung a's bei den üblicherweise verwendeten Federmembranen, wie sie z.B. aus der DE-OS 19 45 234, der DE-AS 12 04 040 oder der FR-PS 20 52 476 bekannt sind, bei denen sämtliche Aussparungen auf dem gleichen Radius liegen. Aus der letztgenannten Druckschrift ist im übrigen eine ovale Form für die Aussparungen bekannt, wie sie bei der erfindungsgemäßen Federmembrane für die in den Federzungenwurzeln zusätzlich vorhandenen Ausnehmungen, die in den Federring hineinragen, vorgesehen sein kann.

Bei der erfindungsgemäßen Federmembrane kann zusätzlich noch vorgesehen sein, daß mehrere zusätzli- ^h0 ehe Ausnehmungen in jeder Federzungenwurzel symmetrisch mit Bezug auf die Längs- und Mittelachse der zugehörigen Federzunge angeordnet sind, wobei die Ausnehmungen in radialer Richtung gesehen zueinander versetzt sind. f>5

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membrane in Draufsicht,

F i g. 2 die Membrane gemäß F i g. 1 in einem Schnitt entlang der Linie 11- II in F i g. 1,

F i g. 3 die Membrane gemäß Fig.! in einem Schnitt entlang der Linie IH-III in Teildarsiellung,

F i g. 4 und 5 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Membrane in Draufsicht und

F i g. 6 ein Federkraft-Federweg-Diagramm.

In den F i g. 1 bis 3 ist eine Federmembrane 1 aus Metall oder Kunststoff dargestellt, dit aus einem äußeren Federring 2 und von diesem in radialer Richtung nach innen hin einstückig vorstehenden Federzungen 3 gebildet wird. Diese Federzungen 3 weisen eine im wesentlichen ringsektorenartige Gestalt auf und sind durch radiale Schlitze 4 gleichbleibender Scblitzbreite voneinander getrennt, die am Federring 2 in Aussparungen 5 mit kreisförmigem Umfang endigen.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, weist die Federmembrane 1 im entlasteten Zustand die Gestalt eines Kegelstumpfes auf. Wirkt eine äußere Kraft in axialer Richtung gemäß Pfeil 5a auf die freien Enden der Federzungen 3 bzw. in entgegengesetzter Richtung auf den Federring 2 ein, verändert die Membrane 1 ihre Konizität, wobei sie zunächst flacher wird und nach Durchfahren der Planlage einen entgegengesetzt gerichteten Kegelstumpf bildet Bei diesem Durchfedern verändert nun lediglich der über den Umfang gesehen zusammenhängend ausgebildete Federring 2 seine Krümmung in Umfangsrichtung, während die Federzungen 3 während des gesamten Federungsvorganges ihre ursprüngliche Krümmung beibehalten. Das eigentliche Federelement wird also nur von dem Federring 2 gebildet, während die Federzungen 3 keinen Beitrag zur Federung leisten und zumeist als Hebel zur Verlängerung des Federweges unter entsprechender Herabsetzung der Federkraft und/oder zur Lagerung und Führung des Federelements dienen.

Die Kennlinie einer solchen Membrane im Federkraft-Federweg-Diagramm wird im wesentlichen durch die Abmessungen des Federringes 2 und durch das Verhältnis zwischen der lichten Höhe Ades Federringes im entlasteten Zustand und der Materialstärke s bestimmt. Die sich aus diesen Größen ergebende theoretische Federkennlinie weicht jedoch von der in der Praxis auftretenden Kennlinie ab, was auf folgenden Umstand zurückzuführen ist:

Wie bereits erwähnt, verändert der Federring 2 beim Durchfedern seine Konizität und somit seine Krümmung, während die Gestalt der Federzungen 3 gleich bleibt und stets entsprechend der Kegelstumpfform der entlasteten Membrane entspricht. Auf diese Weise ergibt sich zwischen dem Federring 2 und jeder Federzunge 3 im Bereich von deren Zungenwurzel ein Übergangsbereich 6, in dem beim Durchfedern die gleichbleibende Krümmung der Federzunge 3 in die sich verändernde Krümmung des Federrings 2 übergeht. In den Übergangsbereichen 6, in denen die Federzungen 3 mit dem Federring 2 einstückig verbunden sind, tritt also eine gegenseitige Beeinflussung auf, die den Federring 2 an einer freien Verformung beim Durchfedern hindert. In diesen Übergangsbereichen kann sich der Federring 2 an die; sich ändernde Konizität nicht frei anpassen, was zu einem komplizierten Spannungszustand führt. Es ergibt sich beim Durchfedern eine in Umfangsrichtung gesehen gewellte Gestalt des Federrings 2, wobei in den Übergangsbereichen zu den Federzungen 3 Wellenberge und zwischen jeweils zwei Federzungen, also im Bereich der Aussparungen 5, Wellentäler auftreten.

Diese Wellengestalt ist umso ausgeprägter, je schmaler der Federring 2 in radialer Richtung und je größer die Zungenwurzelbreite B der Federzungen 3 ist. Dazuhin ergibt sich eine Wegabhängigkeit dieses Effektes.

Dieser Einfluß der Federzungen auf die Gestalt des Federringes beim Durchfedern wirkt sich nun bei einer im entlasteten Zustand konisch aufgestellten Membrane auf die Federkennlinie in der Weise aus (s. F i g. 6), daß eine ursprünglich stetig ansteigende Kennlinie mehr oder weniger stark degressiv verläuft bzw. sich bei einer teilweise negativ verlaufenden Kennlinie das Kraftmaximum zu höheren und das Kraftminimum zu niedrigeren Kräften verschoben wird (Pfeile 7 bzw. 8). Die Federzungen 3 täuschen in den Übergangsbereichen 6 eine größere Breite und damit eine größere lichte Höhe h des ungespannten Federrings vor, was einer Vergrößerung des schon erwähnten, die Federkennlinie bestimmenden Verhältnisses zwischen der lichten Höhe Λ und der Materialstärke s entspricht.

Des weiteren treten bei einer solchen Membrane bei dynamischer Beanspruchung zusätzlich zu den normalen Spannungen Biegespannungen auf, die ihr Maximum im Bereich des Federrings zwischen den Federzungen 3 haben und dort verfrüht zu radial verlaufenden Brüchen führen.

Aus den F i g. 1 und 3 ist ersichtlich, daß in den Übergangsbereichen 6 zwischen dem Federring 2 und den Zungenwurzeln 3 jeweils eine in axialer Richtung durchgehende zusätzliche Ausnehmung 7 vorhanden ist. Jeder Federzunge 3 ist also eine solche Ausnehmung 7 zugeordnet, wobei die Ausnehmung 7 in Umfangsrichtung gesehen zwischen den Seitenrändern 8, 9 der jeweiligen Federzunge 3 mit Abstand zu diesen angeordnet ist. 1st in jedem Übergangsbereich nur eine einzige Ausnehmung vorhanden, ist die Ausnehmung 7 ferner symmetrisch mit Bezug auf die mit der Schnittlinie 111-111 zusammenfallende Längsmittelachse der zugehörigen Federzunge 3 ausgebildet. Dabei ragt die Ausnehmung 7 in radialer Richtung gesehen in die uen Federring 2 bildende Randzone. Auf diese Weise ergibt sich eine Verringerung des Materialzusammenhangs zwischen dem Federring 2 und den Federzungen 3, wobei zu jeder Seite der Ausnehmung 7 jeder Zungenwurzel 3 ein Materialsteg 10,11 stehen gelassen worden ist. Wegen der beschriebenen Anordnung der Ausnehmungen 7 ergibt sich eine Verringerung des Einflusses der Federzungen 3 auf die Verformung des Federrings 2 b w. auf dessen Spannungszustand beim Durchfedern. Die Federkennlinie nähert sich somit der Kennlinie eines keine radialen Federzungen aufweisenden Federringes an. Diese Annäherung wird umso größer, je breiter die Ausnehmungen in Umfangsrichtung gesehen sind, d. h. je kleiner die Materialstege 10, 11 sind. Der Erstreckung der Ausnehmungen in Umfangsrichtung sind jedoch durch die mechanische Beanspruchung der jeweiligen Federzunge 3 Grenzen gesetzt Wird die Federzunge 3 auf Biegung beansprucht, so dürfen die Beanspruchungen in den Querschnitten der Materialstege 10, 11 die zulässigen Spannungen nicht überschreiten.

Bei dem in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die Ausnehmungen 7 in der Draufsicht eine kreisrunde Gestalt, die aus werkzeug- und fertigungstechnischen Gründen gewählt worden ist Die Ausnehmungen 7 entsprechen nämlich in der Gestalt den Aussparungen 5, die im übrigen zur Erniedrigung der Kerbwirkung angeordnet sind.

Der konzentrisch zum Federring 2 verlaufende Kreisumfang 13, auf dem die Ausnehmungen 7 mit ihrem radial äußeren Ende liegen, ist im Durchmesser größer als der Durchmesser der den Federzungen zugewandten Umfangslinie des Federrings 2, wobei sich ^r> auf diese Weise, also durch radiales Versetzen der Ausnehmungen 7 nach außen hin, die Federkennlinie korrigieren läßt. Die Abweichung des den Ausnehmungen 7 zugeordneten Durchmessers von dem Durchmesser der Umfangslinie des Federringes 2 sollte jedoch

i" nicht größer als 5% des Durchmessers der Umfangslinie des Federrings sein.

Fig.4 zeigt eine weitere Variante der Federmembrane. Bei dieser Membrane 23 sind der Federring 24, die Federzungen 25 sowie die Schlitze 26 ähnlich ausgebildet wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Lediglich in der Gestalt der Ausnehmungen und Aussparungen sind Unterschiede vorhanden. Während es sich im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 1 um kreisrunde Aussparungen 5 und Ausnehmungen 7

M handelt, sind beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 oval, elliptisch od. dgl. geformte Aussparungen 27 und Ausnehmungen 28 vorhanden, deren längere Achsen sich in Umfangsrichtung erstrecken und die durch die Materialstege 29, 30 voneinander getrennt sind. Auf diese Weise erhält man eine besonders kleine Kerbwirkung. Des weiteren bringt die Gleichgestalt der Ausnehmungen und der Aussparungen wiederum werkzeug- und fertigungstechnische Vorteile mit sich.

Bei den bis jetzt beschriebenen Ausführungsbeispielen handelte es sich um innen geschlitzte Membranen. Bei diesen bringt das Anordnen der Ausnehmungen 7/28 noch den Vorteil mit sich, daß die Breite B der Zungenwurzel bei gleicher Beeinflussung des Federrings durch die Federzungen größer ausgebildet werden

^J5 kann als bei Membranen, bei denen keine entsprechenden Ausnehmungen vorhanden sind. Hierdurch ergibt sich auch eine größere Breite der freien Enden 31,33 der Federzungen 6, 25, was z. B. aus fertigungstechnischen Gründen günstig ist, da die Breite der freien Enden der Federzungen größer als die Materialstärke ssein muß.

Mit anderen Worten, bei Membranen ohne Ausnehmungen muß die Breite der Zungenwurzeln mit Bezug auf den Umfang des Federrings möglichst klein gehalten werden, um die negativen Einflüsse der Zungenwurzeln auf die Verformung des Federrings klein zu halten. Die Breite der Zungenwurzel kann jedoch häufig aus konstruktiven und anderen Gründen nicht beliebig klein sein. So z. B. sind der Zungenwurzelbreite bei inner geschlitzten Membranen mit langen Federzungen, die

">" auf einem kleinen Innendurchmesser endigen, nach unten hin Grenzen gesetzt, indem beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen die Breite der freier Enden der Federzungen größer als die Materialstärke i sein muß, was die Anzahl der möglichen Schlitze begrenzt

Wie F i g. 5 zeigt, lassen sich entsprechende Ausneh mungen 34 auch bei einer Membrane 35 anordnen, di< von einem Federring 36 nach außen hin vorstehend« Federzungen 37 aufweist Die Wirkungsweise diesel Ausnehmungen 34 ist die gleiche, wie sie oben anhanc der Ausführungsbeispiele gemäß den F i g. 1 bis ' beschrieben worden ist Ferner müssen die Ausnehmun gen 34 nicht, wie dargestellt, kreisrund sein, sie könnei vielmehr oval, elliptisch od. dgl. sein.

Bei allen Ausführungsformen sind die Kanten 38,3! (Fig. 3) der Ausnehmungen, insbesondere die Kante 3! an der Unterseite 40 der Membrane, abgerundet Diesi Maßnahme trägt zur Vermeidung frühzeitiger Anrissi

bei dynamischer Beanspruchung bei.

In der Zeichnung sind nur solche Membranen dargestellt, die in jedem Übergangsbereich zwischen dem Federring und einer Federzunge eine einzige Ausnehmung besitzen. Wie sich ohne weiteres vorstellen läßt, ist es jedoch auch möglich, jeweils mehrere Ausnehmungen anzuordnen, wobei diese Ausnehmungen symmetrisch mit Bezug auf die Längsmittelachse der zugehörigen Federzunge angeordnet sein können. Ferner ist es in diesem Falle möglich, die Ausnehmungen zwischen zwei Federzungen mit gleichem Radius oder in radialer Richtung gesehen versetzt zueinander anzuordnen. Der Abstand zwischen den einzelnen

Ausnehmungen kann den Erfordernissen entsprechend gewählt werden, wobei die Abstände gleich oder verschieden sein können.

Ferner sind bei sämtlichen dargestellten Membranen mehrere Federzungen vorhanden. Die geschilderten Maßnahmen können jedoch auch bei Membranen mit nur einer Federzunge angewendet werden.

Schließlich soll noch erwähnt werden, daß das Obige sinngemäß auch für im entlasteten Zustand ebene Membranen gilt, bei denen der Federring beim Durchfedern eine konische Form mit wachsendem Anstellwinkel annimmt, während die Federzungen ihre ebene Ausgangsgestalt beibehalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Patentansprüche:

1. Federmembrane mit Federzungen und zusätzlichen Ausnehmungen in den Federzungenwurzeln, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ausnehmungen (7,28,34) ringförmig ausgebildet sind, wobei ihre Achsen in radialer Richtung kleiner oder gleich ihren Achsen in Umfangsrichtung sind, und daß diese Ausnehmungen in radialer Richtung gesehen in die einen Federring (2,24, 36) bildende Randzone hineinragen.

2. Federmembrane nach Anspruch '. dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zusätzliche Ausnehmungen in jeder Federzungenwurze! symmetrisch mit Bezug auf die Längs- und Mittelachse der zugehörigen Federzunge angeordnet sind, wobei die Ausnehmungen in radialer Richtung gesehen zueinander versetzt sind.