Die Erfindung betrifft eine an einem Federwiderlager abgestützte Schraubendruckfeder mit Führungsdorn, wie sie beispielsweise im Maschinenwaffenbau als Schliessfeder Verwendung findet.
Hochbeschleunigte bekannte Schraubendruckfedern haben nur eine sehr geringe Lebensdauer von wenigen tausend, bisweilen nur von wenigen hundert Lastwechseln. Die Erfindung hat die Aufgabe, die Lebensdauer solcher Federn zu vergrössern.
Bei hochbeschleunigten Druckfedern treten grosse Setzerscheinungen auf, die im Widerspruch zum Setzverhalten von mit sinus-ähnlicher Zeitwegkurve und hoher Frequenz belasteten Federn stehen. Solche hochbeschleunigte Federn dienen als mechanische Akkumulatoren: die beim Zusammenschlagen aufgenommene Energie müssen sie beim Entspannen wieder abgeben, um Gerätefunktionen durchzuführen. Sie müssen daher so konstruiert und so eingebaut werden, dass sie möglichst wenig ermüden, andernfalls das Gerät funktionsunfähig wird.
Es ist bekannt, dass hochbeschleunigte Federn ein besonders grosses Setzverhalten zeigen, wenn sie in einer Hülse und nicht über einen Dorn geführt werden. Das gilt besonders für lange, nicht knicksichere Schraubendruckfedern, wie sie z. B.
als Schliessfedern im Maschinengewehr- und Maschinenkanonenbau benötigt werden Nach dem bekannten Stand der Technik werden lange Druckfedern deshalb über einem gehärteten und polierten Federführungsdorn mit geringem Spiel zwischen dem ungespannten Federwindungsdurchmesser und dem Fedeführungsdorndurchmesser geführt, um ein gutes Gleiten der Feder auf dem Federdorn zu ermöglichen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestelt und nachstehend erläutert:
Die Fig. 1-3 zeigen bekannte Ausführungsformen der Feder mit Federführungsdorn. Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsformen nach der Erfindung. Fig. 1 zeigt eine Schraubendruckfeder in vorgespanntem Zustand, geführt über einen Dorn 3, über den sich die Feder in ungespanntem Zustand gerade noch reibungsfrei verschieben lässt. Durch die Vorspannung hat sich die Steigung der Windungen bereits verkleinert und ihr Durchmesser entsprechend vergrössert, so dass sich die Windungen 1 und 2 unregelmässig am Dorn abstützen.
Fig. 2 zeigt die gleiche Druckfeder auf dem gleichen Dorn in blockgedrücktem Zustand. Die Windungen 1 und 2 haben sich infolge ihrer Steigungsverringerungen noch weiter erweitert und stützen sich unregelmässig am Führungsdorn 3 ab.
Fig. 3 zeigt eine lange, über einen Führungsdorn geführte Druckfeder in ungespanntem, durch die Ebene a begrenztem; in vorgespanntem,durch die Ebene b begrenztem; und inblockgedrücktem, durch die Ebene d begrenztem Zustand. Die Zeichnung zeigt in Fig. 3 weiter, wie sich der Windungsdurchmesser von dem Durchmesser d@, der der ungespannten Feder entspricht, infolge Verringerung der Steigung auf den Durchmesser d2, der der vorgespannten Feder entspricht, bis auf den Durchmesser d4, der der blockgedrückten Feder entspricht, erweitert.
Solche Schraubendruckfedern werden üblicherweise im Gerät mit einer vorgespannten Länge eingebaut, die der Vorspannkraft pv bei der Ebene b in Fig. 5 entspricht. Da lange Federn in diesem Zustand bereits ihren Windungsdurchmesser etwas vergrössert haben, hat man den Durchmesser des Führungsdornes bereits so vergrössert, dass er mit etwas Spiel dem Windungsdurchmesser d2 der vorgespannten Feder bei der Ebene b entspricht, so wie der Dorn in Fig. 3 dargestellt ist.
Während der Federarbeit vergrössert sich jedoch der Durchmesser der einzelnen Windungen infolge Verringerung ihrer Steigung, so dass die einzelnen Federwindungen ausknicken und sich unregelmässig an den Führungsdorn anlegen, so wie es in Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
Bei dieser Ausführungsform des Federführungsdornes mit einem Durchmesser, der dem Windungsdurchmesser der vorgespannten Feder entspricht, findet eine Lebensdauerverlängerung der Feder nicht statt. Man hat nämlich nicht erkannt und berücksichtigt, dass bei stossartiger hoher Beschleunigung bereits die ersten, der Stossrichtung zugekehrten Windungen infolge ihrer Massenträgheit bereits dann blockschlagen und sich berühren, wenn die dem festen Federende zugekehrten Windungen sich nicht oder nur wenig durch den Stoss bewegt haben.
Die ersten vom Stoss beschleunigten Windungen haben aber bereits in der Nähe der Vorspannebene b ihren maximal grossen Windungsdurchmesser d4, der dem Blockzustand der Feder bei der Federlänge LB entspricht. sie haben also keine einwandfreie Dornführung mehr, verschieben sich durch Ausknicken aus der Zylinderebene und erreichen durch die grosse Beschleunigung den in Fig. 2 dargestellten Zustand bereits dann, wenn die dem festen Widerlager 5 zugekehrten Windungen sich noch im Ruhezustand befinden.
Schlagen aber 2 Windungsabschnitte, die von der Zylinderebene ausgeknickt sind, auf einen Windungsabschnitt, der am Führungsdorn liegt, so wirkt eine Komponente der Wucht, mit der die Windungen aufeinanderschlagen, in Richtung senkrecht zur Mittelachse des Federführungsdornes und verformt die zylindrischen runden Schraubendruckfederwindungen plastisch zu aus der Zylinderebene versetzten ovalen Windungen, wodurch die Druckfeder nach wenigen Lastwechseln nicht nur ihre zylindrische Form, sondern auch ihre ungespannte Länge und damit ihr Arbeitsvermögen verliert.
Wenn die Stosswelle die Schraubendruckfeder bis zum Blockzustand durchlaufen hat, sind sämtliche Windungen mit grosser Wucht aufeinandergeschlagen und plastisch zu Ovalen verformt. Diese plastische Verformung ist an dem dem Stossbeginn gegenüberliegenden Federende, dort wo die Feder durch das Widerlager 5 abgestützt ist, am grössten, weil die Abstützung die Stosswellen reflektiert und - insbesondere bei mehreren aufeinanderfolgenden Stössen - die Wucht vergrössert, mit der die von der Zylinderebene ausgeknickten Windungen aufeinanderschlagen. Aus diesem Grunde sind die Federwindungen, die der Abstützung zugekehrt sind, am höchsten beansprucht und zeigen dort die grösste plastische Verformung und damit Verringerung ihrer Steigung und ihres Arbeitsvermögens.
In Fig. 4 beginnt der Durchmesser d2 des Federführungsdorns bei der Ebene b und erweitert und verjüngt sich an beliebigen Stellen beliebig oft wellenförmig mit beliebiger Steigung vom Durchmesser d2 auf den Durchmesser d4. Hierdurch werden die während der Federarbeit durch die Stosswellen am Dorn entlang laufenden blockgeschlagenen und ausknickenden Windungen mehrmals zwangsweise zur Zylinderebene zurückgeführt. Die wellenartigen Erweiterungen des Führungsdornes können an beliebigen Stellen und in beliebiger Länge zwischen den Ebenen b und e erfolgen; ihre Lage und Länge kann mit Rücksicht auf die mehr oder weniger starre Art des Widerlagers 5 und auf die Art der Stossentwicklung bestimmt werden. Ein solcher Dorn zeigt dann einen Längsschnitt mit wellenförmigem Profil, so wie es in Fig. 4 dargestellt ist.
Je mehr Wellen mit dem maximalen Durchmesser d4 der Führungsdorn besitzt, desto genauer ist die Führung der zusammengeschlagenen Windungen, desto grösser aber auch die Dornreibung.
Besonders geeignet ist in Fällen, in denen die Dornreibung zu gross ist, ein Dorn, der sich vom Durchmesser d2 in Fig. 5 bei der Ebene b konisch bis zum Beginn der Federblocklänge bei der Ebene d auf einen Durchmesser erweitert, der dem Windungsdurchmesser d4 der blockgedrückten Feder ent spricht. Dieser Federführungsdorn ist von der Ebene b bis zur Ebene d konisch und verläuft dann von der Ebene d bis zur Abstützebene e zylindrisch mit dem Durchmesser d4 weiter, der dem blockgedrückten Zustand der Federwindungen entspricht.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist ein Dorn, der sich konisch von der Ebene b bis zur Ebene e erweitert, so wie er in Fig. 5 gestrichelt dargestellt ist.
Untersuchungen mit Zeitwegkurvenschreibgerät haben gezeigt, dass Federn, die über einen Dorn geführt werden, nicht nur deswegen ein besseres Setzverhalten zeigen, weil durch die Dornführung die in Fig. 2 dargestellte Art des Aufeinanderschlagens der hochbeschleunigten Windungen infolge ihrer Massenträgheit verhindert wird, sondern auch weil durch enge Dornführung der zum Teil noch nicht voll beschleunigten und noch nicht ganz zusammengedrückten und daher noch nicht ganz erweiterten Windungen die Stosswellen in der Feder selbst durch Dornreibung erheblich gedämpft werden.
Diese erwünschte Schwingungsdämpfung der Federwindungen infolge Reibung an dem sich erweiternden Führungsdorn kann dadurch variiert werden, dass sich der Dorn, wie bereits ausgeführt, an beliebigen Stellen und in beliebiger Länge beliebig oft vom Durchmesser d2 auf den Durchmesser d4 erweitert und verjüngt. Je mehr Erweiterungswellen der Führungsdorn besitzt, desto grösser ist die Dämpfung der Federarbeit und umgekehrt. So kann man ermöglichen, dass die schwingungsgedämpfte Feder beim Entspannen in einer gewünschten Entspannzeit soviel Arbeit wieder abgibt, als zur Funktion des durch die Feder betriebenen Gerätes benötigt wird.
Der Federführungsdorn soll an keiner Stelle einen kleineren Durchmesser als den Durchmesser d2, der den vorgespannten Federwindung entspricht, und keinen grösseren Durchmesser als den Durchmesser d4, der den blockgedrückten Windungen entspricht, besitzen. Die günstigste Federführungsdorngestalt lässt sich bei hochbeschleunigten, stossbeanspruchten Schraubendruckfedern für jeden Verwendungszweck durch Versuche mit Zeitwegkurvenschreiber ermitteln.