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Beschreibung
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Federmechanismus für Zug- und Druckkräfte Die Erfindung betrifft einen
Federmechanismus für Zug- und Druckkräfte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Federn erfüllen in der Technik die Erfordernisse vielseitiger Einsatzaufgaben:
zur Stoß- und Schwingungsdämpfung; als Rückholfeder bei Ventilen; zur Kraftverteilung
und zum Kraftausgleich; ferner als Rastfeder, Kontaktfeder, Spannfeder u.a..
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Federkennlinien Jede Feder wird durch eine Kraft F verformt, wobei
sich der Kraftangriffspunkt um den Federweg s verschiebt. Trägt man den Federweg
s in Abhängigkeit von der Kraft F in einem rechtwinkligen X-, Y- Koordinatensystem
auf, so entsteht ein Federdiagramm. Die Kraft- Weg- Linie hierin wird mit Federkennlinie
bezeichnet. Die mathematische Ableitung
erhält den Namen Federrate R. Anschaulich läßt sich
mit αr= Winkel zwischen der Tangente an den Arbeitspunkt und der X- Achse
als Maß für die Steigung der Federkennlinie deuten.
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Lineare Kennlinien (R = const.) Arbeitet eine Feder aus Werkstoffen,
für die das Hookesche Gesetz gilt, reibungsfrei, so ist die Kennlinie linear.
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Nichtlineare Kennlinien (R = const.) Ist die Federrate R über dem
Arbeitsbereich der Feder veränderlich, so erhält man gekrümmte Kennlinien. Eine
progressive Kennlinie verhindert ein Durchschlagen der Federn bei Überlastung und
läßt Schwingungen schneller abklingen. Eine degressive Kennlinie ist dort erwünscht,
wo nach einer bestimmten
Belastung ein weiterer, größerer Federweg
s bei kleinerem Kraftanstieg benötigt wird.
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Federungsarbeit Eine Verschiebung des Kraftangriffspunktes durch die
Kraft F benötigt eine Federarbeit:
Bei reibungsfrei arbeitenden Federn ist diese Arbeit W in in der Feder gespeichert
und kann dieser bei einer Entlastung wieder entnommen werden.
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Federn mit Reibungsverlusten geben bei einer Entlastung die
verminderte Arbeit W ab. Dieses führt bei Federaufgaben zur Stoß- und Schwingungsdämpfung
zu einem Abklingen der Schwingungsamplitude.
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Lineare Kennlinien Lineare Kennlinien werden nach dem Stand der Technik
in einem weitgehenden Einsatzbereich von der zylindrischen Schraubenfeder mit Kreis-
oder Rechteckquerschnitt bereitgestellt.
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Daneben werden z.B. Drehfedern, Ringfedern, Blattfedern und Spiralfedern
verwendet.
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Nichtlineare Kennlinien Diese Erfordernisse werden nach dem Stand
der Technik z.B.
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von Tellerfedern, u.U. der kegeligen Schraubendruckfeder und Gummi
federn erfüllt.
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Für den Einsatz dieser Federn wird die Federrate R durch Federquerschnitt
und Federabmaß dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt und der Arbeitspunkt auf der
Kennlinie durch eine Vorspannung eingestellt.
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( Buch W.Matek, D. Muhs, H. Wittel: Maschinenelemente, 8. Auflage,
Braunschweig, Wiesbaden 1983, S. 266 folgende)
Dabei ist es allerdings
sehr aufwendig, eine dem jeweiligen Belastungsfall angepaßte Feder zu fertigen.
Bei der Verwendung von Federn mit linearer Kennlinie ist eine Veränderung bzw. Anpaßung
der Federrate R nur über eine Geometrieänderung der Feder möglich. Bei Federn mit
nichtlinearer Kennlinie kann die Federrate R lediglich als Funktion der Kraft F
eingestellt werden.
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Allen diesen Ausführungsarten gemeinsam ist, daß die Vorspannung zur
Einstellung des Arbeitspunktes auf der Kennlinie ein Verschieben der Kraftangriffspunkte
bedingt, welches oftmals eine zusätzliche Justiervorrichtung erfordert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mechanismus bereitzustellen,
der zur Abdeckung variabler Einsatzfälle eine veränderbare Federrate R aufweist
und zur Einstellung des Arbeitspunktes keine Verschiebung des Kraftangriffspunktes
benötigt.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Günstigerweise ist der Abstand zwischen dem Kraftangriffspunkt und
der Rotationsachse veränderbar, so daß sich der Hebelarm um diese Achse verringert
oder vergrößert.
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Zweckmäßig gleitet zur Koppelung und Trennung von Feder und Scheibenfläche
ein mit der Feder verdrehsicher verbundener Bolzen axial verschieblich in einer
an der Scheibenfläche befestigten Hülse und greift mit einer Stirnverzahnung in
die gegenförmige Ausbildung der an der Scheibe angebrachten Kupplungsfläche.
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Je nach Einsatzfall übertragen die Zahnflanken der Stirnverzahnung
positive und negative Drehmomente oder nehmen nur Drehmomente in einer Richtung
auf uud gleiten in der anderen Drehrichtung übereinander, so daß ein Sperrgetriebe
entsteht.
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Desweiteren stellt die Ausbildung der Feder ein Drehmoment zur Torsion
der Scheibenflächen und eine axiale Druckkraft zur Führung des Kupplungsbolzens
bereit.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung läßt sich zur Energiedissipation
die Axialdruckkraft im Festlager, das die Scheibenflächen führt, variieren.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß die Federrate
R des Federmechanismus im Arbeitspunkt variiert und damit dem jeweiligen Anwendungsfall
angepaßt werden kann.
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Daher erübrigt sich eine Fertigung speziell auf diesen Einsatzzweck
zugeschnittener Federn. Eine Änderung des Anforderungsprofil z.B. die Abstimmung
des theoretischen Systems in der Praxis wird flexibel durch eine Neujustierung erfüllt.
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Insbesondere verschieben sich beim Einstellen des Arbeitspunktes nicht
die Kraftangriffsstellen.
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Zwei Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 Aufsicht auf den Federmechanismus Fig. 2 Schnitt
A - B Fig. 3 Seitenansicht einer Ausführung mit einem geringen Reibmoment Fig. 4
Seitenansicht einer Ausführung zur Energiedissipation Fig. 5 Idealisiertes Freikörperbild
Fig. 6 Federkennlinie für 0°<α<360°
In der Fig. 1 ist
die Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Federmechanismus wiedergegeben. Zwei parallel
angeordnete, sich einseitig verjüngende Scheibenflächen (4,15) sind gegeneinander
verdrehbar gelagert. In dem sich verjüngenden Scheibenbereich ist auf der der anderen
Scheibenfläche zugewandtc!ri eine nutförmige Ausfräsung eingebracht. In dieser Nut
gleitet ein radial verschiebliches, gegenförmig ausgebildetes Profil (9).
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Dieses Profil (9) ist außenseitig für die Aufnahme von Zug-und Druckkräften
gestaltet. In der dargestellten Ausführung besteht diese Aufnahme lediglich aus
einer Planfläche mit einer Bohrung (10,18) für den Anschluß eines Gabelkopfes.
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Den Erfordernissen entsprechend ist z.B. auch eine Ausbildung als
Gelenkkopf oder als Kurvenscheibe denkbar.
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In der Fig. 2 ist dargestellt, wie das radial verschiebliche Profil
(9) in der Nut der Scheibenfläche (4,15) festgelegt werden kann. In das Profil (9)
ist auf der der Scheibenfläche (4,15) abgewandten Seite eine T- förmige Langnut
eingefräst, in der eine Mutter (11) mit Innengewinde gleitet.
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In dieses Gewinde faßt eine durch eine Bohrung in der Scheibenfläche
(4,15) eingefügte Schraube (7). Zur Sicherung ist zwischen dem Schraubenkopf (7)
und der Scheibenfläche (4,15) ein Federring (8) gelegt. Ist eine radiale Verstellung
des Profils (9) erwünscht, wird die Schraube (7) gelockert und das Profil (9) zwischen
der Scheibenfläche (4,15) und der Mutter (11) verschoben.
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In der Fig. 3 ist die Seitenansicht für eine Ausführung mit geringer
Lagerreibung zwischen den Scheibenflächen (4,15) gezeichnet. Dieses ist für Einsatzfälle
erforderlich, bei denen eine reibungsbedingte Hysteresis in der Kraft- Weg-Kennlinie
unerwünscht ist. Die beiden parallelen Scheibenflächen (4,15) sind in dem sich verjüngenden
Bereich zweifach abgewinkelt, so daß die Profile (9) für die Kraftaufnahme
in
einer Ebene stehen. Andersseitig ist zwischen den Scheibenflächen (4,15) ein dickwandiges
Rohr (6) angeordnet und mit der linken Scheibenfläche (4) verklebt. Zur Zentrierung
und Vergrößerung der Klebefläche ist an den Übergang ein Innenring (1) in das Rohr
(6) geklebt. Neben diesen Innenring (1) sind zwei Kugellager (17) eingefügt, wobei
das linke Kugellager (17) axial zwischen dem Innenring (1) und einem Sicherungsring
(12) gefesselt ist. Zur drehbaren Verbindung der Scheibenflächen (4,15) nehmen die
Kugellager (17) innen eine Hülse (14) auf, die rechtsseitig in eine Axialeinstechnut
der Scheibenfläche (15) geklebt ist. Auf die Hülse (14) ist neben dem linken Kugellager
(17) ein Sicherungsring (2) montiert und zwischen den beiden Kugellagern (17) eine
Distanzhülse (13) eingelegt. Innseitig der Hülse (14) ist rechts eine Kupplungsscheibe
(16) mit einer zentrischen Bohrung an die Scheibenfläche (15) geklebt. Diese Bohrung
und die Innenfläche der Hülse (14) führen einen Bolzen (5), der auf der der Kupplungsscheibe
(16) zugewandten Seite eine Stirnverzahnung zum Eingreifen in die Kupplungsscheibe
(16) trägt und in der Hülse (14) verschieblich ist. Je nach Anforderungsprofil an
den Federmechanismus übertragen die Zahnflanken positive und negative Drehmomente
oder können einseitig übereinander gleiten, so daß ein Sperrgetriebe entsteht. Eine
kegelige Schraubendruckfeder (3) lagert linksseitig in einer Querbohrung des Innenringes
(1) und rechtsseitig in einer Axialbohrung auf dem Umfang des Kupplungsbolzens (5).
Dabei ist die Schraubendruckfeder (3) so bemessen, daß ihre Axialdruckkraft die
Zahnflanken der Scheibe (16) und des Bolzens (5) kuppelt und damit ein Torsionsmoment
auf die beiden Scheibenflächen (4,15) übertragen kann. Um die Kupplungsflächen (5,16)
zu trennen und die Federeinstellung zu verändern, sind die Scheibenflächen (4,15)
zentrisch ausgestanzt und der Bolzen (5) linksseitig mit einem
Innensechskant
versehen. Der Anwender kann also durch die Ausstanzungen mit einem Sechskantschlüssel
den Bolzen (5) von außen drehen und damit die Feder (3) spannen'als auch durch axiales
Verschieben gegen die Druckkraft der Feder (3) die Kupplung (5,16) lösen.
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In der Fig. 4 ist eine Gestaltlmgsvariante der Erfindung dargelegt,
die neben einer Federung eine in vielen Einsatzfällen zwingende Dämpfung aufweist.
Außer einer denkbaren hydrodynamischen Dämpfung, der dann zu kapselnde Hohlraum
zwischen den Scheibenflächen (4.15) ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die über
Wirbellamellen an den rotierenden Teilen Energie dissipiert, kann dies durch eine
Ausnutzung der Lagerreibung erreicht werden. In Abwandlung der Ausführung nach der
Fig. 3 ist daher anstelle der Kugellager (17) eine Gleitpaarung vorgesehen. In das
dickwandige Rohr (6) ist rechtsbündig eine Lagerschale (19) eingelötet. Die Hülse
(14) gleitet links von der Lagerschale (19) auf der Innenwand des Rohres (6) und
rechts in der Lagerschale (1). In axialer Richtung wird die Hülse (14) durch die
axiale Federspannung an die Lagerschale (19) gedrückt. Innenseitig weist die Hülse
(14) eine Längsnut auf und wird rechts von einem kräftigen Deckel (24) geschlossen.
Um die Reibung und damit die Dämpfung an den Axialflächen von der Hülse (14) und
der Lagerschale (19) variieren zu können, gleitet die Kupplungsscheibe (16) längsverschieblich,
aber durch eine in die Längsnut eingreifende Nase nicht tordierbar, zwischen dem
Bolzen (5) und dem Deckel (24). Damit eine Längsverstellung vom Anwender möglich
ist, nimmt der Deckel (24) in einem Gewinde einen Handgriff (23) auf. Wird dieser
Handgriff (23) gedreht, verschicht sich die Kupplungsfläche (16) gegen die Federdruckkraft
und erhöht bzw. senkt dadurch die Flächenpressung an der Axiallagerführung. Zur
Trennung der Kupplungsflächen (5,16)
ist der Handgriff (23) hohl,
so daß der Kupplungsbolzen (5) von außen verschoben werden kann. Eine zwischen dem
Kupplungsbolzen (5) und der Kupplungsscheibe (16) befindliche dünnwandige Federlamelle
(21) rückt dann die Kupplungsscheibe (16) bis zum Anschlag an einen Sicherungsring
(22) auf dem Bolzen (5) nach rechts. Unter Umständen ist es erforderlich, die bei
der Energiedissipation freiwerdende Wärme abzuführen. Aus diesem Grund sind auf
dem Umfang des Rohres (6) mehrere Kühirippen (20) angeordnet.
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Federkennlinie ohne Reibung In der Fig. 5 ist das idealisierte Freikörperbild
des Federmechanismus dargestellt. Dabei sind die Kräfte und Momente, die aus der
Lagerreibung und dem Eigengewicht des Körpers resultieren , vernachlässigt. Dies
entspricht näherungsweise der Ausführung in der Fig. 3 . Die Gesetze der Statik
fordern für das Gleichgewicht:
Diese Gesetzmäßigkeiten auf die Struktur in der Fig. 5 angewendet, ergeben:
mit F1, F2 =Kräfte an den Angriffspunkten t 1 = Abstand Rotationsmittelpunkt - Kraftangriffspunkt
α = Verdrehwinkel zwischen den Scheiben (4,15) MF = Federmoment Für das Federmoment
wird das Hookesche Gesetz angewendet:
mit M = Vorspannmoment o Rq = Federrate
Als Gleichung für die Federkennlinie
ergibt sich:
für +3600 für 0°c < α < 3600 0q < α < -360° Dem Fachmann
ist ersichtlich, daß bestimmte α - Werte nicht zulässig sind.
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In der Fig. 6 ist beispielhaft die berechnete Kennlinie für den Winkelbereich
0° < α < + 360° aufgetragen. Der Winkelbereich 0° < α <
- 360° ergibt lediglich ein umgekehrtes Vorzeichen der Kraft F und ist daher nicht
dargestellt. Aus Übersichtsgründen ist das Vorspannmoment M zu Null angenommen o
worden. Eine Änderung des Vorspannmomentes M verschiebt die o beiden Kurvenäste,
wie in der Fig. 5 angedeutet, vertikal.
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Für die Praxis ergeben sich folgende interessante Einsatzbereiche:
5° < cu< 600 nahezu linear 60° < α < 160° cU zu1600progressiv
160° < α < 2800 degressiv 280° < α < 3400 nahezu konstant
Federkennlinie mit Reibung In der Ausführungsform nach der Fig. 4 treten zwei voneinander
unabhängige Reibungsanteile auf: a) Lagerreibung auf dem Umfang Die Lagerreibung
ist proportional zu den angreifenden Kräften F1, F2 und mit einem Anlaufmoment ML01
verbunden.
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Es ergibt sich also als Lagerreibmoment
mit K = Proportionalitätsfaktor Das Lagerreibmoment ist durch die Konstruktion festgelegt
und läßt sich im praktischen Betrieb nicht variieren.
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b) Lagerreibung an der Axialfläche Die Lagerreibung an der Axialfläche
hängt ab von der Axialvorspannung FA der Feder (3) und ist unabhängig von den angreifenden
Kräften F1, F2. Da die Axialvorspannung während der Belastung nicht ändert, ist
sie konstant:
mit C = Proportionalitätsfaktor Die Kennlinie mit Berücksichtigung der Reibung läßt
sich aus dem Diagramm in der Fig. 6 durch Superposition mit MRL1 und MRL2 gewinnen.
Eine explizite Darstellung dieser Funktion erübrigt sich aus diesem Grund.
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Verwendung Einsatzbereiche für den Federmechanismus bestehen überall
dort, wo Zug- und Druckkräfte zwischen zwei Maschinenelementen übertragen werden.
Konstruktiv sind dabei die Federrate und die Vorspannung gegeben. Mit diesen Werten
wird der zugehörige Winkel α aus dem Kraft- Weg- Diagramm bestimmt.
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Damit ist der Abstand zwischen den Kraftangriffspunkten (10,18) bekannt
und kann in der Konstruktion berücksichtigt werden.
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Bei der Montage des Federmechanismus werden eventuell bestehende Fertigungsdifferenzen
durch radiales Verschieben der Profile (9) ausgeglichen. Dabei ist der Winkel α
erneut dem Federdiagramm zu entnehmen, da eine Hebeländerung die Kennlinie verändert.
Zur Einstellung der Vorspannung wird der Bolzen (5) nach links verschoben und die
Feder (3) über einen Sechskantschlüssel gespannt. Der Bolzen (5) rastet anschließend
selbsttätig in der Kupplungsscheibe (16) ein.
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Je nach Drehrichtung des Sechskantschlüssels werden auf diese Weise
Zug- oder Druckkräfte erzeugt.
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Ist bekannt, ob der Federmechanismus Aufgabenstellungen zu erfüllen
hat, bei denen entweder nur positive oder nur negative Momente anfallen, kann dies
bei der Gestaltung der
Kupplungszahnflanken (5,16) berücksichtigt
werden. Die Zahnflanken sind dann derart ausgebildet, daß sie nur einseitig ein
Drehmoment übertragen und andersseitig bei einer Drehung des Bolzens (5) übereinandergleiten.
Auf diese Weise braucht zur Spannung der Feder (3) die Kupplung (5,16) nicht per
Hand getrennt zu werden und eine Spannungsänderung wird durch das akustische Einrasten
der Zahnflanken erleichtert.
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Erweist sich im praktischen Betrieb die bei der Konstruktion berechnete
Federrate R# als ungeeignet, werden die Profile (9) radial verlagert, so daß sich
ohne Verschiebung der Kraftangriffspunkte (10,18) die Federrate R# erneut einstellen
läßt.
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In der Ausführung nach der Fig. 4 wird neben der Einstellung der Federrate
R P# und der Vorspannung noch die Energiedissipation den Erfordernissen angepaßt.
Hierzu wird der Handgriff (23) solange gedreht, bis die Arbeitsaufnahme im Federmechanismus
der gewünschten Energiedissipation entspricht.
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In vielen Einsatzfällen ist es notwendig, ein Maschinenelement über
den Federmechanismus an ein Maschinengehäuse zu koppeln.
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Zweckmäßig wird hierfür der Federmechanismus über in einer der Scheibenflächen
(4,15) anzubringende Bohrungen mit dem Maschinengehäuse verschraubt. Die Verbindung
zwischen dem beweglichen Maschinenelement und der zweiten Scheibe (4,15) ist dann
mit Gabelköpfen, Gelenkköpfen oder bei Maschinenelementen in einer Längsführung
(z.B. S-tößel) über eine Kurvenscheibe am äußeren Ende des Profils (9) möglich.
Die Ausführung als Kurvenscheibe gestattet eine weitere Beeinflussung der Kraft-
Weg- Kennlinie.