DE4336834C1 - Elastische Verbindungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elastischen Verbinden und/oder Koppeln mehrerer Teile, beispielsweise von Fahrzeugen oder Maschinen, mit einem Federelement, das zur Anordnung zwischen den Teilen vorgesehen ist, und mit wenigstens zwei Ankoppel- beziehungsweise Aufnahmeelemen­ ten, die je an einem Ende des Federelements befestigt und zur Ankopplung mit einem Teil beziehungsweise Aufnahme ei­ nes Teiles ausgebildet sind, wobei die zwei Aufnahmeele­ mente mit je einer Aufnahmebohrung versehen sind, die ein­ ander gegenüberliegend in das Innere des Federelementes münden und von einem gemeinsamen Dämpfungselement durch­ setzt sind, das innerhalb des Federelements angeordnet ist.

Üblicherweise werden maschinelle Bauteile mit Schrauben, Nieten oder durch Schweißen bzw. Kleben miteinander verbun­ den. Damit ist allerdings keine Schwingungs- bzw. Schall­ isolation möglich. Weiterhin sind Elastomer-Metall- Verbindeelemente bekannt, die allerdings nicht unmittelbar zum Einbau und zur Montage der zu verbindenden Maschinen­ teile ausgebildet und geeignet sind. Die dafür notwendigen Anpassungen erfordern unerwünscht große Einbauräume. Schließlich sind die Elastomer-Metall-Verbindeelemente in ihren Werkstoff- und damit Schwingungseigenschaften von im praktischen Betrieb unvermeidlichen Temperaturschwankungen stark beeinflußbar, so daß die Betriebszuverlässigkeit da­ mit gekoppelter maschineller Teile beeinträchtigt sein kann.

Aus der DE-PS 32 45 770 ist eine biegeelastische Verbindung in Form einer Schraubenfeder bekannt, deren Enden auf je einen Gewindebolzen der miteinander zu verbindenden Teile aufgeschraubt sind. Da hierbei die Bolzen direkt an den zu verbindenden Teilen angeformt sind, ist eine Standardisie­ rung nicht möglich; die Ankoppelelemente müssen vielmehr in jedem Anwendungsfall zusammen mit dem betreffenden Teil hergestellt werden.

Die US-PS 2,661,206 offenbart ein Federungselement für Fahrzeuge, bei dem eine Schraubenfeder mit endseitigen Be­ festigungselementen versehen ist, die einerseits eine Ein­ stellung der Federkonstanten sowie des Abstands zwischen den beiden Befestigungspunkten erlauben und andererseits eine standardisierte Vorratshaltung sowie einen schnellen Ein­ bau ermöglichen. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß keine besonderen Maßnahmen getroffen sind, um die einer seitli­ chen Auslenkung beziehungsweise Versetzung der beiden Befe­ stigungspunkte entgegenwirkende Federkraft unabhängig von der Federkraft in Längsrichtung vorgeben zu können. Somit muß unabhängig von der Größe der Feder immer ein etwa kon­ stantes Verhältnis zwischen Längs- und Querfederkraft hin­ genommen werden.

Der DE-OS 42 01 959 kann eine Schraubendruckfederanordnung entnommen werden, bei der die Querfederrate dadurch beein­ flußt wird, daß die endseitigen Befestigungselemente in die Feder hineinragen und eine sich zum Federmittelpunkt hin verjüngende Mantelfläche aufweisen. Bei einem bestimmten Maß der Querauslenkung liegen die äußeren Federwindungen an der Mantelfläche der Befestigungselemente an und können sich daher in Querrichtung nicht weiter verformen. Dadurch verkürzt sich im Hinblick auf die Querbelastung die effek­ tive Federlänge, so daß die Feder eine steifere Charakteri­ stik erhält. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß die Versteifung der Feder ausschließlich durch Verkürzung ihrer effektiven Länge zustande kommt, so daß mit zunehmen­ der Belastung die verbleibenden Windungen besonders stark verformt werden und demzufolge eine Beschädigung der Federn in diesem Bereich nicht auszuschließen ist.

Schließlich zeigt die GB 2 166 216 A ein Feder-/Dämpfungs­ element, bei dem eine Schraubenfeder auf zwei endseitige Befestigungselemente aufgeschraubt ist, die mit je einer Aufnahmeöffnung versehen sind, welche einander ge­ genüberliegend in das Innere der Feder münden. Innerhalb dieser Aufnahmeöffnungen ist je eine stirnseitige Befesti­ gungslasche eines konventionellen Stoßdämpfers durch Quer­ stifte verankert. Hierbei handelt es sich um eine im Fahr­ zeugbau übliche Kombination von Federelementen und Stoß­ dämpfern, wobei der Stoßdämpfer ausschließlich dazu dient, starke Stöße vom Chassis fernzuhalten. Zu diesem Zweck ist die Wirkrichtung der Dämpfungskraft parallel zu der haupt­ sächlichen Federrichtung, also zur Längsachse der Schrau­ benfeder. Quer zu dieser Richtung vermag der Stoßdämpfer dagegen keine Wirkung zu entfalten. Hier ist infolge des Freiheitsgrads der Querstifte, sich gegenüber den Flanschen des Stoßdämpfers zu verdrehen, keine zusätzliche Kraftüber­ tragung möglich. Diese Anordnung ist demnach nicht in der Lage, von außen einwirkende Querbeanspruchungen zusätzlich abzufedern oder zu bedämpfen.

Mithin wird das der Erfindung zugrundeliegende Problem auf­ geworfen, eine elastische Verbindungsvorrichtung mit einem Federelement zu schaffen, welche sich durch eine dynamische Abkopplung von Schwingungen zwischen maschinellen Bauteilen mit hoher Betriebszuverlässigkeit bei leicht handhabbarer Montage mit geringem Einbauraum auszeichnet, und bei der die Federsteifheit und/oder das Dämpfungsverhalten für Querbeanspruchungen unabhängig von der Federcharakteristik in Längsrichtung beeinflußbar ist.

Zur Lösung wird bei einer Vorrichtung mit den eingangs ge­ nannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Dämpfungselement als elastisch verformbarer Bolzen oder als Schraubenfeder ausgebildet ist. Der hiermit erzielte Vor­ teil besteht darin, daß durch spezifische Auswahl der Dämp­ fungselemente mit spezifischen Material- und Werkstoffei­ genschaften, insbesondere mit variierter Materialhärte eine Verbindungsvorrichtung mit gleichsam einstellbarer Quer­ dämpfung geschaffen werden kann. Außerdem ist die rückstel­ lende Federkraft bei Querauslenkungen gegenüber den oben genannten Ausführungen ohne innerem Dämpfungselement er­ höht, so daß keine partielle Überlastung des äußeren Federe­ lements durch hohe Quer- oder Scherbeanspruchungen zu be­ fürchten ist.

Das Dämpfungselement kann mit Gummi oder Elastomere reali­ siert sein. Unter Verwendung derartiger Werkstoffe lassen sich die Feder- und/oder Dämpfungseigenschaften des Dämp­ fungselements in einem weiten Bereich einstellen.

Im Zusammenhang mit den Bohrungen in den Aufnahmeelementen besteht eine weitere vorteilhafte Ausbildung darin, daß eine oder beide Aufnahmebohrungen sich wenigstens ab­ schnittsweise und/oder zu ihren einander zugewandten Enden hin verbreitern. Vorzugsweise besitzt der Verlauf eine ke­ gelige bzw. konusartige und/oder keilförmige Form. Durch diese gegenüber der Mittelachse schrägen Abweichungen wer­ den Flächenabschnitte geschaffen, die einerseits als Klemm­ sitz für das aufgenommene Dämpfungselemente dienen können. Andererseits bilden sie Anschlagflächen gegen übermäßige Auslenkung des Dämpfungselements in Querrichtung, während bis zur Erreichung einer derartigen Maximalauslenkung ein freier Bewegungsraum für eine elastische Verformung ver­ bleibt.

Zur Fixierung des Dämpfungselements in einer kegeligen oder konusförmigen Aufnahmebohrung sieht die Erfindung vor, daß das Dämpfungselement an einem oder beiden Enden einen sich entsprechend der jeweiligen Aufnahmebohrung verjüngenden Umfangsabschnitt aufweist.

Die mechanische Stabilität sowie die Kompaktheit in der Au­ ßenform wird gefördert, wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung das Aufnahmeelement einen Abschnitt verminderten Durchmessers oder Umfangs aufweist, der sich zu seinem Ende hin verjüngt bzw. im Durchmesser oder Umfang weiter vermin­ dert ist. Dieser Abschnitt eignet sich dazu, vom Federe­ lement, insbesondere Schraubenkörper, umfaßt zu sein. Durch die vorzugsweise konusartige oder kegelige Verjüngung des verminderten Abschnitts entsteht ein Abstand des Federele­ mentkörpers an einer Innenseite zur Außenwandung des Auf­ nahmeelements, der sich mit zunehmender Nähe zu seinem Ende hin vergrößert. Hierdurch wird eine Anschlagfläche mit gleichsam progressiver Kontur geschaffen, die bei bestimm­ ter Auslenkung in Querrichtung gegenüber der Feder- Längsachse ab einem bestimmten Auslenkungshub diesen be­ grenzend in Wirkung tritt, während bis zur Erreichung die­ ser maximalen Querauslenkung ein Bewegungsraum für eine elastisch nachgiebige Ausfederung geschaffen ist.

Die Montier- und Handhabbarkeit sowie Anwendungsflexibili­ tät wird dadurch erhöht, daß das Ankoppel- bzw. Aufnahmee­ lement mit einer Aufnahmebohrung versehen ist, in der ein Innengewinde zur Aufnahme von Schrauben vorgesehen ist, über die die zu verbindenden Maschinenteile angekoppelt werden.

Um gegenüber den abzukoppelnden Schwingungen die Dämpfungs­ eigenschaften bei der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrich­ tung auch in Längsrichtung weiter zu erhöhen, ist im Zusam­ menhang mit den Bohrungen in den Aufnahmeelementen nach ei­ ner besonderen Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Dämpfungselement vorzugsweise an seinem Ende einen Umfangs­ abschnitt mit Außengewinde aufweist. Die zusätzliche Dämp­ fung wird mittels des erfindungsgemäßen, verformbaren Dämp­ fungselements herbeigeführt, das innerhalb des Federele­ ments angeordnet und in die beiden fluchtenden Bohrungen der Aufnahmeelemente eingesetzt ist.

Bei Verwendung von an sich bekannten Verbindungselementen, die mit Elastomere hergestellt sind, tritt das Problem auf, daß sie bei extremen Temperaturschwankungen ihre Mate­ rial/Werkstoffeigenschaften und damit ihr Schwingungsver­ halten unerwünscht verändern. Zur Abhilfe wird nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, das Federelement durch eine Schraubenfeder vorzugsweise aus Metall zu reali­ sieren. Derartige schraubenförmige Federkörper, die leicht mit einer definierten Windungssteigung und/oder Vorspannung erhältlich sind, können an ihren Enden die Aufnahmeelemente leicht aufnehmen, insbesondere in dem letztere über ein ei­ genes Außengewinde in den Federkörper eingeschraubt sind.

In Weiterführung des Gedankens mit der Schraubenfeder sind deren Windungen wenigstens im Bereich ihrer Enden, wo die Aufnahmeelemente angebracht sind, gegenseitig aneinander liegend ausgeführt. Liegen alle Windungen mit einer Vor­ spannkraft - vorzugsweise von fünf bis sechzig Newton - an­ einander, ergibt sich kein definierter Bewegungsspielraum in axialer Druckrichtung. In axialer Zugrichtung dagegen ist schon bei Beginn des Federweges eine mehr oder weniger große Zugkraft aufzuwenden, damit die Vorspannkraft über­ wunden wird. Gleichzeitig sind Querbewegungen des Federkör­ pers nach allen Richtungen frei beweglich mit gutem Rück­ stellvermögen gegeben.

Eine andere Möglichkeit, die Dämpfung und damit verbundene Schwingungsabkopplung spezifisch zu erhöhen, besteht darin, das Federglied in einen flexiblen Schrumpfschlauch einzu­ fassen. Diese flexible Hülle kann gleichzeitig als Schmutz­ abdeckung einen weiteren Nutzen erfüllen.

Handhabbarkeit und Bedienungskomfort bei der Montage werden gefördert, wenn nach einer anderen Ausbildung der Erfindung eines oder mehrere Aufnahmeelemente eine mehrkantige Außen­ kontur besitzen. In Verbindung mit der oben genannten Boh­ rung mit Innengewinde können dann die Aufnahmeelemente durch Verdrehen mittels eines Schraubenschlüssels oder ei­ ner Zange auf Schraubelemente der zu verbindenden Ma­ schinenteile aufgeschraubt werden.

Die genannte Struktur der erfindungsgemäßen Verbindungsvor­ richtung eignet sich ganz besonders zu einer Ganz-Metall­ ausführung, die durch die Verwendbarkeit eines einheitli­ chen Werkstoffes in der Herstellung billig und im prakti­ schen Betrieb durch ein beherrschbares Temperaturverhalten charakterisiert ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ beispiele der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Fig. 1 eine Längsansicht auf eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 im axialen Längs­ schnitt,

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Schnittansicht, wobei das Federelement der Vorrichtung seitlich bzw. quer ausgelenkt ist,

Fig. 4 und 5 Schnittansichten abgewandelter Ausführungen, die den Fig. 2 bzw. 3 entsprechen.

Gemäß Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Verbindungsvor­ richtung aus einer Schraubenfeder 1, die zwischen zwei Auf­ nahmeelementen 2 zu deren Verbindung angeordnet ist. Wie insbesondere aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, sind die Auf­ nahmeelemente 2 als Schraubenteile ausgeführt, die über ihr Außengewinde 3 mit den in den jeweiligen Endbereichen der Schraubenfeder 1 vorhandenen Windungen 4 in Eingriff ste­ hen.

Die Aufnahmeelemente 2 besitzen jeweils aus der Schrauben­ feder 1 herausstehende, im Durchmesser erweiterte Mehrkant­ köpfe 5, deren zwischen den Kanten 6 abgegrenzte Umfangs­ flächen das Verdrehen durch einen entsprechenden Schrauben­ schlüssel gestatten.

Die in beide Enden der Schraubenfeder 1 eingeschraubten Aufnahmeelemente 2 sind jeweils von einer Bohrung 8 durch­ setzt, die im nichtausgelenkten Zustand gemäß Fig. 2 mit­ einander fluchten bzw. eine gemeinsame Mittelachse 7 auf­ weisen. Die jeweils dem Mehrkantkopf 5 nächstliegenden Be­ reiche der Bohrungen 8 sind mit einem jeweiligen Innenge­ winde 9 versehen, in das Verbindungsschrauben miteinander zu verbindender (Maschinen-)Teile eingeschraubt werden kön­ nen.

Beim Aufnahmeelement 2 ist dessen mit dem Außengewinde 3 versehener Bolzenteil in seinem sich am Außengewinde 3 an­ schließenden Endbereich mit einem Außenumfangsabschnitt 10 versehen, der sich zum Ende hin verjüngt. Werden gemäß Fig. 3 aufgrund zu verbindender Maschinenteile (nicht gezeich­ net) die beiden entsprechenden Aufnahmeelemente 2 gegenein­ ander quer zur Mittelachse 7 verschoben, ergibt sich eine Auslenkung der Schraubenfeder 1 quer zu ihrer Längsrichtung mit dem Querhub h. Dieser wird durch den Abstand definiert, den die beiden parallelen Mittelachsen 7a und 7b der beiden Aufnahmeelemente nach Querauslenkung voneinander besitzen. Dabei wird der sich verjüngende Außenumfangsabschnitt 10 teilweise zu einer Anschlagfläche für Teile 4a von Windun­ gen, welche den sich verjüngenden Außenumfangsabschnitt um­ geben.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 ist im Inne­ ren der Verbindungsvorrichtung ein Dämpfungsbolzen 12 mit etwa zylindrischer Grundform aus elastischem Material (z. B. Elastomere) angeordnet. Die beiden Enden 13 des Dämp­ fungsbolzens 12 verjüngen sich zum jeweiligen stirnseitigen Ende hin konisch. Entsprechend diesem Verlauf sind auch die jeweiligen Bohrungen 8 der gegenüberliegenden Aufnahmeele­ mente 2 in ihren Abschnitten ohne Innengewinde zum inner­ halb der Schraubenfeder 1 liegenden Ende hin konisch bzw. keilartig verbreitert. Damit läßt sich der Dämpfungsbolzen 12 mit seinem konischen Ende 13 mit Klemmsitz einschieben. Eine weitere vorteilhafte Folge der Verbreiterung der Boh­ rung 8 besteht in dem zum Ende hin zunehmenden Abstand a, den der Bolzen 12 zur Innenwandung der Bohrung 8 in ihrem Endbereich aufweist. Bei einer Auslenkung quer zur Längsachse, wie in Fig. 3 dargestellt, vermindert sich die­ ser Abstand a derart, daß eine zusätzliche Innenanschlag­ fläche 14 zwischen der Außenwandung des Dämpfungsbolzens 12 und der Innenwandung des konischen Bereichs der Bohrung 8 entsteht.

Diese Ausführungsform eignet sich zum Einsatz als querbe­ wegliches Koppelglied, wobei der Dämpfungsbolzen 12 gegen­ über herkömmlichen Federelementen eine erhöhte Rückstell­ kraft und eine zusätzliche Dämpfung erzeugt. Durch spezifi­ sche Auswahl der Dämpfungsglieder insbesondere mit variier­ ter Materialhärte läßt sich die Dämpfung je nach Einsatzbe­ dingungen einstellen bzw. anpassen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 und 3 dadurch, daß anstelle des Dämpfungsbolzens beispielsweise aus Elastomere eine Dämp­ fungsfeder 15 in Form einer Schraubenfeder eingesetzt ist. Aufgrund des den Drahtdurchmesser d übersteigenden Ab­ standes s der Windungen 4 im mittleren Bereich der Dämp­ fungsfeder 15 bildet diese eine axial zusammendrückbare Druckfeder. Dadurch wird eine zusätzliche Einfederung in axialer Richtung mit progressiver Kennlinie für die zu ver­ bindenden Maschinenteile erreicht. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung besteht in der Möglichkeit, sie vollstän­ dig aus Metall herzustellen. Schließlich eignet sie sich auch zum Einsatz bei höheren Temperaturen, insbesondere bei solchen höher als 80°C.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum elastischen Verbinden und/oder Koppeln mehrerer Teile, beispielsweise von Fahrzeugen oder Ma­ schinen, mit einem Federelement, das zur Anordnung zwischen den Teilen vorgesehen ist, und mit wenigstens zwei Ankoppel- beziehungsweise Aufnahmeelementen (2), die je an einem Ende des Federelements befestigt und zur Ankopplung mit einem Teil beziehungsweise Aufnahme eines Teiles ausgebildet sind, wobei wenigstens die zwei Aufnahmeelemente (2) je mit einer Aufnahmebohrung (8) versehen sind, die einander gegenüberliegend in das Innere des Federelementes münden und von einem ge­ meinsamen Dämpfungselement (12, 15) durchsetzt sind, das innerhalb des Federelements angeordnet ist, da­ durch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement als elastisch verformbarer Bolzen (12) oder als Schrauben­ feder (15) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch verformbare Bolzen mit Gummi oder Elastomere realisiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine oder beide Aufnahmebohrungen (8) sich wenigstens abschnittweise und/oder zu ihren ein­ ander zugewandten Enden hin vorzugsweise kegelig ver­ breitern (a).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (12, 15) an einem oder beiden Enden (13) einen sich entsprechend der jeweiligen Aufnahmebohrung (8) verjüngenden Umfangsabschnitt auf­ weist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder beide Aufnah­ meelemente (2) einen vom Federelement umgebenen oder umfaßten Abschnitt (10) verminderten Durchmessers oder Umfangs aufweisen, der sich zu sei­ nem Ende hin verjüngt beziehungsweise im Durchmesser oder Umfang weiter vermindert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung (10) progressiv verläuft be­ ziehungsweise sich zum Ende hin verstärkt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmebohrung (8) mit einem Innengewinde (9) versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (12, 15) an einem oder beiden Enden ein Außengewinde aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeelemente (2) durch Einschrauben über ein Gewinde (3) in dem Federe­ lement befestigt sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement durch eine Schraubenfeder (1) realisiert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (4) der Schraubenfeder (1) wenig­ stens im Bereich ihrer Enden gegenseitig anliegen (s = d).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (4) mit einer Vorspannkraft vorzugs­ weise von fünf bis sechzig Newton aneinanderliegen.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement von einer flexiblen Hülle, insbesondere einem Schrumpfschlauch umfaßt ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Aufnah­ meelemente (2) eine mehrkantige (6) Außenkontur besit­ zen.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeelemente (2) aus Metall gebildet sind.