-
Federwerk mit Stahlbandfeder Die Kraftentwicklung eines Federwerkes
mit Stahlbandfeder beruht in der Regel darauf, daß (las am einen Ende festgelegte
Federband aus seiner gestreckten Lage abgebogen wird und hierbei das Bestreben entwickelt,
in die Ausgangslage -zurückzukehren. Triebwerke mit Spiralfedern verwenden gewöhnlich
Federn, die schon in der entspannten Stellung Spiralform haben und beim Aufziehen
um einen Kern auf einen kleineren Radius aufgewickelt werden. Bei einem gegebenen
Querschnitt und gegebenen Federmaterial ist die für die Längsbiegung bzw. zum Aufwickeln
aufzuwendende und dementsprechend auch die abzugebende Kraft der Feder vom Grad
der Durchbiegung und der Durchbiegungslänge der Feder abhängig. Beim Aufziehen summieren
sich die aufzuwendenden Kräfte proportional mit der Umdrehungszahl. Umgekehrt ist
beim Ablauf des Triebwerkes die Kraft am Anfang am größten und nimmt mit dem Ablauf
ebenso proportional bis zur völligen Entspannung ab. Die Drehmomentsab und damit
die Drehzahl sind also ablaufabhängig.
-
Aus diesem Grund werden die bekannten Federtriebwerke .meist so dimensioniert,
daß das Drehmoment für die zu bewältigende Arbeit bei fast völliger Entspannung
der Feder gerade noch ausreicht.. Infolgedessen zeigt ein einfaches FedertriebA,erk
den Nachteil, daß es die angetriebene Vorrichtung gegen Ende langsamer als am Anfang
laufen: läßt.
-
Will man dies verhindern, so muß bei gespannter oder aufgezogener
Feder der Kraftüberschuß vernichtet werden, wozu z. B. Fliehkraftbremsen
oder.
Luftflügelbremsen dienen, deren Drehzahl jedoch im Verhältnis zum Federwerksablauf
hoch liegt. Dadurch wird eine entsprechende Übersetzung für eben Drehzahlregler
erforderlich. Die Antriebsenergie für eine solche Regeleinrichtung muß außerdem
vom Federwerk selbst geliefert werden und; vermindert dlamit die abgebbare gespeicherte
Energie der Feder. Sie vergrößert außerdem Volumen und Gewicht der Vorrichtung und
bedingt einen erhöhten Verschleiß der Einzelteile und zusätzliche Geräusche. Auch
müssen die Einzelteile, wie Lager, Lagerbolzen, Zahnräder usw., dem höchsten Federdruck
entsprechend stärker dimensioniert werden.
-
Ein anderer bekannter Weg zur Gewinnung von Federtriebwerken mit gleichmäßiger
Drehmomentabgabe besteht in der Verwendung mehrerer Spiralfedern, die nacheinander
beim Nachlassen des Drehmoments der einzelnen Feder in Wirkung treten.
-
Diese verschiedenen Wege sind sehr umständlich und stellen vor allem
keine Lösung in solchen Fällen, dar, wo Federlaufwerke benötigt werden, welche bei
geringem Federvolumen und Gewicht eine große Leistung haben und bei relativ langer
Laufzeit ein gleichmäßiges Drehmoment abgeben können. Dies gilt beispielsweise für
Triebwerke für Kinokameras, Plattenspieler, Schreibmaschinenwagen, Spielzeuge, Uhren
usw.
-
Die Erfindung schlägt einen sehr einfachen Weg für die Gewinnung von
Federwerken mit während der ganzen Wirkungsdauer gleichbleibendem Kraftmoment vor,
und zwar wird) gemäß der Erfindung das Federwerk mit einem Stahlband von gewölbtem
Querschnitt ausgerüstet. Bei diem gewölbten Federbandstahl treten zwei Elastizitätskomponenten
auf. Die erste ist die bisher bei Federwerken ausgenutzte Biegungskraft in der Längsrichtung
des Bandstahbs, während die zweite Biegung in der Querrichtung erfolgt und sich
in der Längsrichtung auswirkt. Es lassen sich daher bei gleichem Federgewicht beträchtlich
größere Kräfte als bei einer Feder von ebenem Querschnitt speichern. Bei einer Spiralfeder
z. B. wirkt beim Auf- und Abwicklungsvorgang die reine Längsbiegung auf einer längeren
Teilstrecke der Federlänge. Die Querwölbung gibt dem Federband eine zusätzliche
Längssteifheit, jedoch mit dem Unterschied, daß die Querelastizität bei der Längsdurchbiegung
nur oberhalb eines bestimmten Biegungsradius als zusätzliche Kraft in der Längsrichtung
wirkt. Unterschreitet man diesen Biegungsradius, so kommt nur noch die bei üblichen
Spiralfedern ausgenutzte Längsbiegung zur Wirkung.
-
Die gesamte abgebbare Kraft einer quer gewölbten Feder setzt sich
also aus dem Anteil der Querelastizität und degn der Längselastizität zusammen.
Wenn der Anteil der Längselastizität klein gegenüber dem Anteil der Querelastizität
ist, so wird eine auf die ganze Ablauflänge fast konstante Drehmomentabgabe erreicht.
Erscheint im einzelnen Fall die so erreichte Nivellierung des Drehmoments noch nicht
ausreichend, so kann eine Feder verwendet werden, bei der der Radius der Querwölbung
über die Länge des, Federbandes sich progressiv ändert. Durch die entsprechende
Wähl -der Progression lassen sich auch andere Formen der Federcharakteristik erzielen.
-
Die Wirkung des gewölbten Federbandes ist davon abhängig, ob die Aufwicklung
mit nach innen oder nach außen gerichteter Konkavfläche erfolgt. Wenn. die Wölbung
nach außen gerichtet ist, so wird der Anteil der Querwölbungselastizität erhöht.
Je nach den. Bedürfnissen des Einzelfalles wird man also die Richtung der Aufwicklung
wählen. Im übrigen wird das abzugebende konstante Drehmoment des Triebwerks durch
das Verhältnis des. Wölbungsradius. zur Federbreite und Federstärke und im übrigen
selbstverständlich wie bei jeder Feder von dem verwendeten Stahlmaterial und dessen
Vorbehandlung bestimmt.
-
Soll der Anteil der Längselastizität bei dem Federtriebwerk vollkommen
ausgeschaltet werden, so kann eine besondere Ausführungsform gewählt werden. Hierbei
werden zwei Aufwickelkerne verwendet, die vorzugsweise miteinander gekuppelt sind,
und das gewölbte Stahlfederband wird mit dem einen Ende auf dem einen Kern mit nach
innen gerichteter Wölbung und mit dem anderen Ende auf dem anderen Kern mit nach
außen gerichteter Wölbung befestigt. Wird das Federband dann auf den zweiten Kern
aufgewickelt, so bewirkt die Differenz der beiden Querelastizitäten, daß dass Band
von dem zweiten Kern abläuft und sich auf dem ersten Kern aufwickelt. Es kommt jeweils
nur der Teil der Querwölbung zur Wirkung, welcher sich zwischen dem aufgewickelten
und dem abgewickelten Federbeil befindet, während der Anteil der Längselastizität
aufgehoben wird. Ein derartiges Triebwerk hat also bei gleichmäßiger Wölbung während
der ganzen Dauer des Ablaufs ein konstant wirkendes Drehmoment.
-
Die Erfindung ist nicht nur auf Federtriebwerke mit Spiralfeder anwendbar,
sondern sie gestattet auch eine vorteilhafte Ausgestaltung von Federwerken mit blattförmiger
Rückholfeder. Wird ein in der Querrichtung gewölbtes Federblatt an einem Ende fest,
gelagert, so tritt beim Abbiegen senkrecht zur Halterungsebene eine Kraftspeicherung
auf, die bei der Rückkehr der Fader in ihre gerade Lage mit einem konstanten Kraftmoment
abgegeben wird. Die Charakteristik des Kraftmoments wird durch die Art der Halterung
beeinflußt, d. h. sie ist verschieden, je nachdem, ob das Federende plan oder gewölbt
eingespannt ist.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Erläuterung verschiedener Ausführungsformen an Hand der Zeichnung.
-
Fig. r zeigt eine bekannte Spiraltriebfeder in aufgewickeltem Zustand;
Fig. 2 zeigt in Ansicht und im Querschnitt ein Stahlfoderband, wie es gemäß der
Erfindung verwendet, wird;
Fig.3 ist eine Ansicht eines Federtriebwerkes
nach der Erfindung; Fig. 4 zeigt ein anderes Triebwerk; Fig. 5 zeigt eine weitere
Ausführungsform; Fig.6 gibt ein Blattfederwerk nach der Erfindung und F ig. 7 eine
Alländerung hiervon wieder; Fig. 8 und 9 stellen in Diagrammen die Kennlinien
der verschiedenen Federwerke im Verlauf des Spannungsvorganges dar.
-
Bei den bekannten Triebwerken ist die Federspirale i von ebenem Querschnitt
um den Kern 2 aufgewickelt, an dem ihr Ende 3 befestigt ist.
-
Gemäß der Erfindung wird das in Fig. 2 gezeigte Federstahlband 4 verwendet,
dessen Wölbungsradius beliebig gewählt sein kann. Bei. der Ausführungsform nach
Fig. 3 ist das Federband 4 auf eine Rolle 5 aufgewickelt, auf deren Achse 6 eine
zweite Rolle 7 sitzt, an der die Aufzugskraft 8 angreift. Die aufgewickelte Feder
hat hier einen geradlinigen freien Auslauf mit einer Führung g. Selbstverständlich
ist die Darstellung nur schematisch. Bei der praktischen Ausführung tritt an die
Stelle des Gewichts 8 z. B. eine von Hand zu betätigende Kurbel oder ein Uhrwerkschlüssel.
-
Bei der Ausführungsform nach Fig.4 befindet sich die Feder 4 in einem
Gehäuse io, das eine Federende ist an dem drehbaren Kern i i befestigt, während
das andere Ende an der Gehäusewand 12 festgelegt ist. Wie ein Vergleich mit Fig.
i zeigt, unterscheidet sich die Feder nach der Erfindung rein äußerlich schon dadurch,
daß die Feder i sich spiralförmig aufwickelt, während die Feder 4 sich in Form eines
mehrschichtigen Ringes in Abstand um den Kern i i legt.
-
Die verschiedene Wirkung der Triebwerke ist aus Fig. 8 ersichtlich,
in der auf der Abszisse die Umdrehungen des Kernes und auf der Ordinate das Drehinoinent
aufgetragen ist. Die Kennlinie I der bekannten Spiralfeder steigt geradlinig an.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 verläuft die Kennlinie 111 dagegen vollkommen
waagerecht. Wie die Kennlinie IV zeigt, ist die Drehmomentabgabe I>ei der Ausführungsform
nach Fig.4 ganz im Anfang steil ansteigend und verläuft dann auf mehr als go% des
Triebwerkablaufs außerordentlich flach.
-
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind zwei Federtrommeln 13 und
1-4 nebeneinander angeordnet, auf deren Achsen zwei miteinander kämmende Zahnräder
i5 und i6 sitzen. Das Federband 4 läuft auf den Trommeln 13 und i4, und zwar ist
das eine Ende auf der Trommel 13 so festgelegt, daß die Wölbung des Bandes zum Kern
gerichtet ist, während auf der Trommel 14 das andere Federende mit nach außen gerichteter
Wölbung gefaßt ist. Wird nun das Band auf die Trommel 14 aufgewickelt und hierauf
das Triebwerk freigegeben, so läuft das Federband unter gleichmäßiger Drehmomentabgabe,
wie dies aus Kennlinie N` der Fig. 8 ersichtlich ist, auf die Trommel 13 zurück,
und die Zahnräder 15 und 16 drehen sich während des ganzen Ablaufes mit gleichmäßiger
Geschwindigkeit. Wie die Kennlinie V ersichtlich macht, i,st hier allerdings der
Wirkungsgrad bei gleichem Gewicht und gleichem Querschnitt des Bandes geringer als
bei den Triebwerken nach Fig. 3 und 4, weil hierbei nur die Differenz der beiden
Wölbungskräfte wirksam wird.
-
Bei dem Federwerk nach Fig.6 ist eine kurze Blattfeder, deren Profil
jedoch dem der Fig. 2 entspricht, zwischen zwei Klemmbacken 18 und i9 eingespannt.
Da die Angriffsflächen der Backen eben sind, wird die Feder 17 plan gefaßt. Wird
diese Kurzwegfeder aus ihrer Ruhelage abgebogen, so tritt das aus Kennlinie VI ersichtliche
Kraftmoment auf. Dabei ist auf der Abszisse der Abbiegungswinkel des Federendes
aufgetragen. Auch hier steigt das Kraftmoment nur im ersten Teil steil an und verläuft
dann außerordentlich flach. Die Feder kann bis zu i8o'°' abgebogen werden.
-
Das Feder-,verk nach Fig.7 unterscheidet sich dadurch, daß die Klemmbacken
2o und 21 Angriffsflächen haben, die entsprechend deal Federquerschnitt gewölbt
sind. Hierdurch ergibt sich eine andere Kennlinie VII. Sie steigt zunächst bis etwa
5° außerordentlich steil an und fällt dann ebenso steil bei etwa io°, während- sie
anschließend etwa dieselbe Form wie Kennlinie VI hat. Diese Federcharakteristik
ist für verschiedene Anwenr Jungen sehr wertvoll, z. B. in. Schlössern, weiche nicht
leicht aufgehen sollen bzw. einen hohen Anfangswiderstand bieten müssen. Dies gilt
z. B. bei Schlössern für Autotüren, Pendeltüren, Türschließer, auch für Möbeltüren
u. dgl.
-
Federwerke nach der Erfindung mit Spiral-oder mit Blattfeder sind
auch überall vorteilhaft, wo bisher Gegengewichte für eine in der Höhe verstellbare
Last verwendet wurden, z. B. Zuglampen, Vergrößerungsapparate, Rollladen. Schiebefenster
usw.