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PATENTANSPRÜCHE
1. Druckfederanordnung aus zwei unterschiedlich ausgebildeten zylindrischen Schraubendruckfedern, die koaxial angeordnet sind und gleiche konstante Windungsdurchmesser aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine (11) der Federn (11, 12) Windungen mit konstanter Steigung der Schraubenlinie (13) aufweist und die zweite Feder (12) die gleiche Anzahl Windungen mit um einen Mittelwert wellenartig pendelnder Steigung der Schraubenlinie (14) aufweist und dass, in Richtung der Schraubenachse (15) betrachtet, die Windungen der ersten (11) und der zweiten Feder ( 12) miteinander abwechseln.
2. Druckfederanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in entspanntem Zustand die beiden Federn (11, 12) übereinstimmende Längen (L) in Richtung der Schraubenachse (15) aufweisen und die Steigung der Schraubenlinie (13) der ersten Feder (11) gleich dem Mittelwert der Steigung der Schraubenlinie (14) der zweiten Feder (12) ist.
3. Druckfederanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Federn (11, 12) aus einem draht- oder stabförmigen Materialstück mit konstantem Querschnitt gewunden ist und dass im entspannten Zustand der beiden Federn die Ganghöhe (H) der Schraubenlinie (13) der ersten Feder (11) grössor ist als die Summe der positiven und negativen Amplitude (A) des wellenartigen Verlaufes der Schraubenlinie (14) der zweiten Feder (12) und der parallel zur Schraubenachse (15) gemessenen Stärken (S1, S2) der Materialstücke der ersten (11) und der zweiten Feder (12) zusammen.
4. Druckfederanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass längs einer jeden Windung der zweiten Feder (12) die Steigung der Schraubenlinie (14) in bezug auf den Mittelwert mindestens einmal erhöht und mindestens einmal vermindert ist.
5. Druckfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die volle Länge einer jeden Windung der zweiten Feder (12) ein ganzzahliges Vielfaches einer einzelnen Wellenperiode der Steigung der Schraubenlinie (14) der zweiten Feder (12) ist.
6. Druckfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden (A) des wellenartigen Verlaufes der Schraubenlinie(14) der zweiten Feder (12) einander gleich sind.
7. Druckfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden (A) des wellenartigen Verlaufes der Schraubenlinie (140 der zweiten Feder (12) variieren.
8. Druckfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem axialen Ende der beiden Federn (11, 12) eine ebene Auflagefläche (16, 17; 18, 19) vorhanden ist, zu welcher die Schraubenachse (15) senkrecht steht.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckfederanordnung aus zwei unterschiedlich ausgebildeten zylindrischen Schraubendruckfedern, die koaxial angeordnet sind und gleiche konstante Windungsdurchmesser aufweisen.
Eine einzelne zylindrische Schraubendruckfeder mit konstantem Windungsdurchmesser hat bekanntlich eine lineare Weg/Kraft-Charakteristik, solange die aufeinanderfolgenden Windungen der Feder einander nicht berühren. Für manche Zwecke ist aber eine nichtlineare Federcharakteristik erwünscht, z.B. derart, dass in Funktion des Federweges die von der Feder hervorgerufene Rückstellkraft zunächst verhältnismässig sanft ansteigt und von einem bestimmten Punkt an stark zunimmt. Es sind verschiedene Massnahmen bekannt, um nichtlineare Federcharakteristiken zu erzielen.
Eine dieser bekannten Massnahmen ist die Bildung einer Federanordnung aus zwei oder mehr unterschiedlichen Druckfedern, die wirkungsmässig hintereinandergeschaltet sind, so dass nach dem vollständigen Zusammendrücken einer relativ weichen Feder mindestens eine steifere Feder komprimiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckfederanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sie bei verhältnismässig kompakter und raumsparender Bauweise imstande ist, nach einer relativ weichen Einfederung von einem bestimmten Punkt an eine relativ grosse Kraft elastisch aufzufangen, wobei keine nennenswerte Rückfederungsenergie durch Reibung vernichtet wird.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch die im Patentanspruch 1 definierte Druckfederanordnung gelöst. Bei der erfindungsgemässen Druckfederanordnung sind die zwei zylindrischen Schraubendruckfedern mit gleichen konstanten Windungsdurchmessern nicht hintereinander, sondern wirkungsmassig parallel angeordnet, wobei in raumsparender Weise die beiden Federn derart ineinander liegen, dass die Windungen der ersten und der zweiten Feder miteinander abwechseln. Die gewünschte nichtlineare Federcharakteristik ist dadurch erreicht, dass die eine Feder in üblicher Weise Windungen mit konstanter Steigung der Schraubenlinie aufweist, während die zweite Feder die gleiche Anzahl Windungen mit um einen Mittelwert wellenartig pendelnder Steigung der Schraubenlinie aufweist.
Solange die Windungen der beiden Federn einander nicht berühren, zeigt diese Druckfederanordnung eine lineare Federcharakteristik mit relativ geringer Steilheit. Wenn aber beim Zusammendrücken der Federanordnung die Windungen der ersten Feder die Wellenkämme der Windungen der zweiten Feder berühren, erfährt die Federcharakteristik der Druckfederanordnung einen Knick nach oben, so dass für das weitere Zusammendrücken der Federanordnung pro Einheit des Federweges eine merklich grössere Kraft aufgewendet werden muss als zuvor. Der demgemäss steilere Abschnitt der Federcharakteristik ergibt sich durch elastisches Verflachen des wellenartigen Verlaufes der Windungen der zweiten Feder. Dieses Ergebnis wird auch dann erzielt, wenn die beiden Federn aus draht- oder stabförmigen Materialstücken mit gleichen konstanten Querschnitten gewunden sind.
Zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemassen Druckfederanordnung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
In der nun folgenden Beschreibung ist die Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnungen rein beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine gemäss der Erfindung ausgebildete Druckfederanordnung in einem axialen Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2;
Fig. 2 stellt eine Draufsicht auf die Druckfederanordnung gemäss Fig. 1 dar;
Fig. 3 veranschaulicht eine 360 umfassende Abwicklung einiger Windungen der beiden Federn der Druckfederanordnung nach Fig. 1;
Fig. 4 bis 6 zeigen je eine Weg/Kraft-Federcharakteristik von drei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Druckfederanordnung.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Druckfederanordnung besteht aus zwei zylindrischen Schraubendruckfedern 11 und 12, welche die gleiche Anzahl Windungen mit übereinstimmenden Windungsdurchmessern D aufweisen. In ent
spanntem Zustand der Feder 11 folgen ihre Windungen einer Schraubenlinie 13 (Fig. 2 und 3) mit bestimmter konstanter Steigung. Die Windungen der zweiten, ebenfalls entspannten
Feder 12 hingegen verlaufen entlang einer Schraubenlinie 14 (Fig. 2 und 3), deren Steigung wellenartig um einen Mittelwert pendelt, welcher gleich der Steigung der Schraubenlinie
13 der ersten Feder 11 ist. Ferner haben die beiden Federn 11 und 12 im entspannten Zustand gleiche axiale Längen L.
Besonders aus Fig. list ersichtlich, dass die beiden Federn 11 und 12 in bezug aufeinander derart angeordnet sind, dass sie eine gemeinsame Schraubenachse 15 aufweisen und dass in Richtung der Schraubenachse betrachtet die Windungen der ersten Feder 11 und die Windungen der zweiten Feder 12 miteinander abwechseln. An jedem axialen Ende der ersten Feder 11 ist eine ebene Auflagefläche 16 bzw. 17 vorhanden.
In analoger Weise ist auch an jedem axialen Ende der zweiten Feder 12 eine ebene Auflagefläche 18 (Fig. 3) bzw 19 (Fig. 2) gebildet. Die Auflageflächen 16 und 18 der beiden Federn 11 und 12 liegen in einer gemeinsamen Ebene 20, während die anderen Auflageflächen 17 und 19 ebenfalls in einer gemeinsamen Ebene 21 liegen, wobei die Schraubenachse 15 senkrecht zu den genannten Ebenen 20 und 21 steht.
Jede der Federn 11 und 12 ist aus einem draht- oder stabförmigen Materialstück mit konstantem Querschnitt gewunden. Gemäss Fig. 1 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Querschnitte der draht- oder stabförmigen Materialstücke beider Federn 11 und 12 gleich, und zwar rechteckförmig. Es sind aber auch andere Querschnittsformen der draht- oder stabförmigen Materialstücke möglich, wie z.B. trapezförmige, runde oder elliptische Querschnitte. Auch ist es möglich, für die erste Feder 11 und die zweite Feder 12 verschiedene Querschnittsformen vorzusehen.
Gemäss Fig. 3 sind im Vergleich zur Ganghöhe H der Schraubenlinie 13 der ersten Feder 11 die Amplituden A des wellenartigen Verlaufes der Schraubenlinie 14 der zweiten Feder 12 eher klein, damit im entspannten Zustand der Federn die Wellenkämme der Windungen der zweiten Feder 12 die benachbarten Windungen der ersten Feder 11 nicht oder zumindest nicht gleichzeitig berühren. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Ganghöhe H um einiges grösser ist als die Summe der positiven und negativen Amplituden A und der parallel zur Schraubenachse 15 gemessenen Stärken Sl und S2 der draht- oder stabförmigen Materialstücke der ersten und der zweiten Feder 11 bzw. 12 zusammen.
Die Amplituden A des wellenartigen Verlaufes der Schraubenlinie 14 der zweiten Feder 12 sind vorzugsweise einander gleich, können statt dessen aber auch variieren. Zweckmässigerweise ist die Steigung der Schraubenlinie 14 längs einer jeden Windung in bezug auf den Mittelwert mindestens einmal erhöht und mindestens einmal vermindert. Vorzugsweise ist die volle Länge einer jeden Windung der zweiten Feder 12 ein ganzzahliges Vielfaches einer einzelnen Wellenperiode der Steigung der Schraubenlinie 14.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Druckfederanordnung ist kurz wie folgt: Es sei vorausgesetzt, dass die einen Auflage- oder Endflächen 16 und 18 der beiden Federn 11 und 12 gegen einen (nicht gezeigten) festen Anschlag abgestützt sind und auf die andern Auflage- oder Endflächen 17 und 19 der Federn z.B. mittels eines (nicht gezeigten) Druckringes eine Kraft P ausgeübt wird. Unter dem Einfluss der Kraft P wird die axiale Länge der beiden Federn 11 und 12 um AL vermindert. Solange zwischen den Windungen der ersten Feder 11 einerseits und den positiven und/oder negativen Wellenkämmen der Windungen der zweiten Feder 12 andererseits jeweils noch ein freier Zwischenraum vorhanden ist, bewirken relativ kleine Werte der Kraft P verhältnismässig grosse Längenverminderungen AL der Federanordnung.
Dies zeigt sich in der Weg/Kraft-Federcharakteristik gemäss Fig. 4 als verhältnismässig sanft ansteigende gerade Linie 25. Wenn die positiven und die negativen Wellenkämme der Windungen der Feder 12 an den benachbarten Windungen der Feder 11 zum Anliegen kommen, ist ein Punkt 26 der Federcharakteristik erreicht, von wo an jeweils eine grössere Zunahme der Kraft P nötig ist, um die Federanordnung um eine Längenmasseinheit, z.B. 1 mm, weiter zusammenzudrücken. Demzufolge zeigt die Federcharakteristik beim Punkt 26 einen Knick nach oben. Wird die auf die Federanordnung einwirkende Kraft P weiter gesteigert, so werden die Wellen der Windungen der Feder 12 zwischen den anliegenden Windungen der Feder 11 allmählich elastisch flachgedrückt.
In diesem Arbeitsbereich zeigt die Federcharakteristik eine steiler ansteigende, nahezu gerade Linie 27 vom Punkt 26 zu einem Punkt 28, bei welchem die Federcharakteristik nochmals einen mehr oder weniger ausgeprägten Knick nach oben erfährt. Vom Punkt 28 an verläuft die Federcharakteristik als sehr steile Linie 29 aufwärts zu einem Punkt 30, der dann erreicht wird wenn die Wellen der Windungen der Feder 12 nahezu vollständig platt gedrückt sind und ein weiteres Zusammendrücken der Federanordnung praktisch ausgeschlossen ist.
Beim Entlasten der Federanordnung ergibt sich etwa zwischen den Punkten 30 und 26 ein von den Linien 29 und 27 ein wenig abweichender Verlauf 29a, 27a der Federcharakteristik. Diese Hysterese ist durch die zwischen den Wellenkämmen der Windungen der Feder 12 und den anliegenden Windungen der Feder 11 auftretende Reibung bedingt, da beim elastischen Deformieren der Wellen der Windungen der Feder 12 eine gewisse Bewegung der Wellenkämme entlang den Windungen der Feder 11 auftritt.
Im praktischen Gebrauch der Federanordnung wird üblicherweise nur in dem zwischen dem Nullpunkt und dem Punkt 28 liegenden Bereich der Federcharakteristik gearbeitet.
Je nach der Anzahl und den Amplituden der Wellen entlang den Windungen der Feder 12 resultieren ¯ bei sonst gleichen übrigen Eigenschaften der beiden Federn 11 und 12 - unterschiedliche Federcharakteristiken. Bei grösseren Amplituden A der Wellen der Windungen der Feder 12 im Vergleich zur Ganghöhe H der Windungen der Feder 11 liegt der Punkt 26 der Federcharakteristik näher beim Nullpunkt, wie Fig. 5 zeigt, so dass in der Federcharakteristik der Abschnitt mit der Linie 25 kürzer und der Abschnitt mit den Linien 27 und 27a entsprechend länger ist.
Verständlicherweise hängt die Federcharakteristik zudem von der Länge L der Federanordnung, von der Anzahl und vom Durchmesser der Windungen der Federn 11 und 12 sowie von der Querschnittsform, den Querschnittsabmessungen und den Materialeigenschaften der draht- oder stabförmigen Materialstücke ab, aus denen die Federn 11 und 12 gewunden sind.
Auch die Form der Wellen der Windungen der Feder 12 hat einen Einfluss auf den Verlauf der Linien 27 und 27a der Federcharakteristik. Die Wellen brauchen nicht sinusförmig zu sein.
Die in den Fig. 4 bis 6 wiedergegebenen Federcharakteristiken beziehen sich auf die nachstehend beschriebenen konkreten Ausführungsformen der Federanordnung.
Die die Weg/Kraft-Charakteristik gemäss Fig. 4 ergebende Federanordnung hat in entspanntem Zustand eine Länge L von 180 mm und einen mittleren Windungsdurchmesser D von 26,3 mm, wobei die beiden Federn je 133/4 Windungen aus einem Federstahlstab mit rechteckigem Querschnitt von 4,8 mm Breite und 4 mm Höhe aufweisen. Die Windungen der einen Feder sind je mit zwei Wellenperioden versehen, wobei die mittlere Amplitude A der Wellen etwa 0,35 mm beträgt.
Die Federanordnung, welche die Weg/Kraft-Charakteristik gemäss Fig. 5 ergibt, unterscheidet sich von der soeben beschriebenen Federanordnung lediglich dadurch, dass die Amplitude A der Wellen auf etwa 0,6 mm vergrössert ist.
Die in Fig. 6 dargestellte Weg/Kraft-Charakteristik gehört zu einer Federanordnung, bei welcher die Federn in entspanntem Zustand je eine Länge L von ebenfalls 180 mm und einen mittleren Windungsdurchmesser D von ebenfalls 26,3 mm haben, aberje 153/4 Windungen aus einem Federstahlstab mit rechteckigem Querschnitt von 4,8 mm Breite und 4 mm Höhe aufweisen. Die Windungen der einen Feder sind wieder je mit zwei Wellenperioden versehen, wobei die Amplitude der Wellen etwa 0,7 mm beträgt.
Für den Gebrauch der vorstehend beschriebenen erfindungsgemässen Druckfederanordnung ist es zweckmässig, koaxial in den Federwindungen einen Führungsdorn anzuordnen oder die Druckfederanordnung in ein Führungsgehäuse einzubauen, damit die beiden Federn beim Zusammendrücken nicht knicken. Die Federanordnung ist auf zahlreichen Gebieten der Technik verwendbar, insbesondere überall dort, wo nach einer relativ weichen Einfederung eine grosse Energie über einen kürzeren Federweg aufgefangen werden soll, z.B. als Zusatzfederung in Stossdämpfern für Strassen fahrzeuge, als Federabstützung von Bürostühlen, als Kraftspeicher und/oder Stossdämpfer in Baumaschinen, Werkzeugmaschinen, Pressen, Feuerwaffen usw.
Als wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Druckfederanordnung ist ausser der speziellen nichtlinearen Federcharakteristik auch ihr im Vergleich zu den Federkräften geringer Platzbedarf zu erwähnen, der es ermöglicht, die Federanordnung auch dort einzusetzen, wo bezüglich Dorn und/oder Hülse nur relativ wenig Platz zur Verfügung steht.
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PATENT CLAIMS
1. Compression spring arrangement consisting of two differently designed cylindrical helical compression springs, which are arranged coaxially and have the same constant winding diameter, characterized in that one (11) of the springs (11, 12) has windings with a constant pitch of the helical line (13) and the second spring ( 12) has the same number of turns with a slope of the helical line (14) which oscillates in a wave-like manner and that, viewed in the direction of the screw axis (15), the turns of the first (11) and the second spring (12) alternate with one another.
2. Compression spring arrangement according to claim 1, characterized in that in the relaxed state, the two springs (11, 12) have corresponding lengths (L) in the direction of the screw axis (15) and the slope of the helix (13) of the first spring (11) is the same is the mean of the pitch of the helix (14) of the second spring (12).
3. Compression spring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that each of the two springs (11, 12) is wound from a wire or rod-shaped piece of material with a constant cross-section and that in the relaxed state of the two springs, the pitch (H) of the helix ( 13) of the first spring (11) is greater than the sum of the positive and negative amplitudes (A) of the wave-like course of the helical line (14) of the second spring (12) and the thicknesses (S1, S2) measured parallel to the screw axis (15) the material pieces of the first (11) and the second spring (12) together.
4. Compression spring arrangement according to one of claims 1-3, characterized in that along each turn of the second spring (12) the slope of the helix (14) with respect to the mean is increased at least once and decreased at least once.
5. Compression spring arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the full length of each turn of the second spring (12) is an integer multiple of a single wave period of the pitch of the helix (14) of the second spring (12).
6. Compression spring arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the amplitudes (A) of the wave-like course of the helical line (14) of the second spring (12) are equal to one another.
7. Compression spring arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the amplitudes (A) of the wave-like course of the helical line (140 of the second spring (12) vary.
8. Compression spring arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that at each axial end of the two springs (11, 12) there is a flat bearing surface (16, 17; 18, 19), to which the screw axis (15) is perpendicular stands.
The present invention relates to a compression spring arrangement comprising two differently designed cylindrical helical compression springs which are arranged coaxially and have the same constant winding diameters.
A single cylindrical helical compression spring with a constant winding diameter is known to have a linear displacement / force characteristic as long as the successive turns of the spring do not touch each other. However, a non-linear spring characteristic is desirable for some purposes, e.g. such that, in function of the spring travel, the restoring force caused by the spring initially rises relatively gently and increases sharply from a certain point. Various measures are known to achieve non-linear spring characteristics.
One of these known measures is the formation of a spring arrangement from two or more different compression springs which are effectively connected in series, so that after a relatively soft spring has been completely compressed, at least one stiffer spring is compressed.
The object of the invention is to design a compression spring arrangement of the type mentioned in such a way that, with a relatively compact and space-saving design, it is able to absorb a relatively large force elastically after a relatively soft deflection from a certain point, with no significant springback energy being destroyed by friction becomes.
This object is achieved according to the invention by the compression spring arrangement defined in claim 1. In the compression spring arrangement according to the invention, the two cylindrical helical compression springs with the same constant winding diameters are not arranged one behind the other, but are arranged parallel in terms of effect, the two springs lying one inside the other in a space-saving manner in such a way that the turns of the first and second springs alternate with one another. The desired non-linear spring characteristic is achieved in that the one spring has windings with a constant pitch of the helix in the usual way, while the second spring has the same number of turns with a pitch of the helix that oscillates like an average.
As long as the turns of the two springs do not touch each other, this compression spring arrangement shows a linear spring characteristic with a relatively low slope. If, however, the coils of the first spring touch the wave crests of the coils of the second spring when the spring arrangement is compressed, the spring characteristic of the compression spring arrangement undergoes a kink, so that a noticeably greater force must be applied to further compress the spring arrangement per unit of spring travel than before. The correspondingly steeper section of the spring characteristic results from the flattening of the wave-like shape of the turns of the second spring. This result is also achieved when the two springs are wound from wire or rod-shaped pieces of material with the same constant cross-sections.
Appropriate developments of the compression spring arrangement according to the invention result from the dependent claims.
In the following description, the invention is explained purely by way of example with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 shows a compression spring arrangement designed according to the invention in an axial section along the line I-I in Fig. 2;
FIG. 2 shows a top view of the compression spring arrangement according to FIG. 1;
FIG. 3 illustrates a 360-degree development of some turns of the two springs of the compression spring arrangement according to FIG. 1;
4 to 6 each show a travel / force-spring characteristic of three different embodiments of the compression spring arrangement according to the invention.
The compression spring arrangement shown in FIGS. 1 to 3 consists of two cylindrical helical compression springs 11 and 12, which have the same number of windings with matching winding diameters D. In ent
the tensioned state of the spring 11 follow its turns a helix 13 (Fig. 2 and 3) with a certain constant pitch. The turns of the second, also relaxed
Spring 12, on the other hand, run along a helix 14 (FIGS. 2 and 3), the pitch of which oscillates in a wave-like manner around an average value, which is equal to the pitch of the helix
13 of the first spring 11. Furthermore, the two springs 11 and 12 have the same axial lengths L in the relaxed state.
It can be seen particularly from FIG. List that the two springs 11 and 12 are arranged with respect to one another in such a way that they have a common screw axis 15 and that, viewed in the direction of the screw axis, the turns of the first spring 11 and the turns of the second spring 12 alternate with one another . At each axial end of the first spring 11 there is a flat bearing surface 16 or 17.
Analogously, a flat bearing surface 18 (FIG. 3) or 19 (FIG. 2) is also formed at each axial end of the second spring 12. The contact surfaces 16 and 18 of the two springs 11 and 12 lie in a common plane 20, while the other contact surfaces 17 and 19 also lie in a common plane 21, the screw axis 15 being perpendicular to the planes 20 and 21 mentioned.
Each of the springs 11 and 12 is wound from a wire or rod-shaped piece of material with a constant cross-section. 1, the cross sections of the wire or rod-shaped material pieces of both springs 11 and 12 are the same in the illustrated embodiment, namely rectangular. However, other cross-sectional shapes of the wire or rod-shaped pieces of material are also possible, e.g. trapezoidal, round or elliptical cross sections. It is also possible to provide different cross-sectional shapes for the first spring 11 and the second spring 12.
3, compared to the pitch H of the helix 13 of the first spring 11, the amplitudes A of the wave-like course of the helix 14 of the second spring 12 are rather small, so that in the relaxed state of the springs, the wave crests of the turns of the second spring 12 are the adjacent turns the first spring 11 do not touch or at least not at the same time. This condition is met if the pitch H is somewhat greater than the sum of the positive and negative amplitudes A and the thicknesses S1 and S2 measured parallel to the screw axis 15 of the wire or rod-shaped material pieces of the first and second springs 11 and 12 together .
The amplitudes A of the wave-like course of the helical line 14 of the second spring 12 are preferably identical to one another, but can also vary instead. The slope of the helix 14 along each winding is expediently increased with respect to the mean value at least once and decreased at least once. The full length of each turn of the second spring 12 is preferably an integer multiple of a single wave period of the pitch of the helix 14.
The operation of the compression spring arrangement described is briefly as follows: It is assumed that the one support or end surfaces 16 and 18 of the two springs 11 and 12 are supported against a fixed stop (not shown) and on the other support or end surfaces 17 and 19 of the springs, for example a force P is exerted by means of a pressure ring (not shown). Under the influence of the force P, the axial length of the two springs 11 and 12 is reduced by AL. As long as there is still a free space between the turns of the first spring 11 on the one hand and the positive and / or negative wave crests of the turns of the second spring 12 on the other hand, relatively small values of the force P result in relatively large reductions in length AL of the spring arrangement.
This is shown in the travel / force-spring characteristic according to FIG. 4 as a relatively gently rising straight line 25. If the positive and negative wave crests of the turns of the spring 12 come to rest on the adjacent turns of the spring 11, a point 26 is the Spring characteristic is reached, from where a greater increase in the force P is required in each case, in order to adjust the spring arrangement by a unit of length, for example 1 mm to compress further. As a result, the spring characteristic at point 26 shows an upward kink. If the force P acting on the spring arrangement is further increased, the waves of the turns of the spring 12 between the adjacent turns of the spring 11 are gradually pressed flat elastically.
In this working area, the spring characteristic shows a steeply rising, almost straight line 27 from point 26 to a point 28, at which the spring characteristic undergoes a more or less pronounced bend upwards. From point 28 onwards, the spring characteristic runs as a very steep line 29 up to a point 30, which is reached when the waves of the turns of the spring 12 are pressed almost completely flat and further compression of the spring arrangement is practically impossible.
When the spring arrangement is relieved, a curve 29a, 27a of the spring characteristic that deviates slightly from the lines 29 and 27 results approximately between the points 30 and 26. This hysteresis is caused by the friction occurring between the wave crests of the turns of the spring 12 and the adjacent turns of the spring 11, since a certain movement of the wave crests occurs along the turns of the spring 11 when the waves of the turns of the spring 12 are deformed elastically.
In practical use of the spring arrangement, work is usually only carried out in the area of the spring characteristic lying between the zero point and the point 28.
Depending on the number and the amplitudes of the waves along the windings of the spring 12, ¯ with otherwise the same properties of the two springs 11 and 12 result - different spring characteristics. With larger amplitudes A of the waves of the windings of the spring 12 compared to the pitch H of the windings of the spring 11, the point 26 of the spring characteristic is closer to the zero point, as shown in FIG. 5, so that in the spring characteristic the section with the line 25 is shorter and the section with lines 27 and 27a is correspondingly longer.
Understandably, the spring characteristic also depends on the length L of the spring arrangement, on the number and diameter of the turns of the springs 11 and 12 and on the cross-sectional shape, the cross-sectional dimensions and the material properties of the wire or rod-shaped material pieces from which the springs 11 and 12 are made are winding.
The shape of the waves of the turns of the spring 12 also has an influence on the course of the lines 27 and 27a of the spring characteristic. The waves do not have to be sinusoidal.
The spring characteristics shown in FIGS. 4 to 6 relate to the specific embodiments of the spring arrangement described below.
4 has a length L of 180 mm and an average winding diameter D of 26.3 mm, the two springs each having 133/4 turns of a spring steel rod with a rectangular cross section of 4.8 mm wide and 4 mm high. The turns of one spring are each provided with two wave periods, the mean amplitude A of the waves being about 0.35 mm.
The spring arrangement which gives the displacement / force characteristic according to FIG. 5 differs from the spring arrangement just described only in that the amplitude A of the shafts is increased to approximately 0.6 mm.
The displacement / force characteristic shown in FIG. 6 belongs to a spring arrangement in which the springs each have a length L of 180 mm and an average winding diameter D of also 26.3 mm in the relaxed state, but each 153/4 turns have a spring steel rod with a rectangular cross section 4.8 mm wide and 4 mm high. The turns of the one spring are again each provided with two wave periods, the amplitude of the waves being about 0.7 mm.
For the use of the compression spring arrangement according to the invention described above, it is expedient to arrange a guide mandrel coaxially in the spring windings or to install the compression spring arrangement in a guide housing so that the two springs do not buckle when compressed. The spring arrangement can be used in numerous fields of technology, in particular wherever a large amount of energy is to be absorbed over a shorter spring travel after a relatively soft deflection, e.g. as additional suspension in shock absorbers for road vehicles, as spring support for office chairs, as an energy store and / or shock absorber in construction machinery, machine tools, presses, firearms etc.
A significant advantage of the compression spring arrangement according to the invention, in addition to the special non-linear spring characteristic, is that it requires less space compared to the spring forces, which enables the spring arrangement to be used where there is only relatively little space available with regard to the mandrel and / or sleeve.