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Die
Erfindung betrifft ein Antivibrationselement, insbesondere in einem
tragbaren, handgeführten
Arbeitsgerät
wie einer Motorkettensäge,
einem Freischneider, einem Trennschleifer, einem Blasgerät oder dgl..
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Aus
der
US 5,368,107 ist
ein Antivibrationselement mit einer Schraubenfeder bekannt. Die Schraubenfeder
ist an ihren Enden mittels eines Preßsitzes an einem elastischen
Führungselement festgelegt.
Die Dämpfungswirkung
dieses Antivibrationselements ist aufgrund der linearen Kennlinie
in jedem Belastungszustand gleich. Aus Vibrationsgründen ist
es wünschenswert,
daß das
Antivibrationselement in unbelastetem Zustand eine geringe Federkonstante
aufweist, während
bei Belastung das Element möglichst
steif, die Federkonstante also möglichst
hoch sein soll.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antivibrationselement
der gattungsgemäßen Art derart
weiterzubilden, das es in unterschiedlichen Belastungszuständen mit
unterschiedlicher Federkonstante wirkt.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Antivibrationselement mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Schraubenfeder ist an ihrem Endabschnitt festgelegt. In unbelastetem
Zustand weist der an den Endabschnitt in Richtung auf die Mitte
der Schraubenfeder angrenzende Randabschnitt zur Führung Spiel
auf, da die Schraubenfeder über
ihre axiale Länge
mit unterschiedlichen Windungsdurchmessern ausgebildet ist. Das
Spiel ist vorzugsweise radial, kann aber auch axial ausgebildet
sein. In wenig belastetem Zustand tragen die Windungen des Randabschnitts
zur Federwirkung bei. Wird die Schraubenfeder hingegen belastet,
wird bei entsprechender Verformung das Spiel zwischen den Windungen
der Schraubenfeder und der gehäusefesten Führung überwunden,
so daß sich
die Windungen im Randabschnitt zumindest teilweise an die Führung anlegen,
wodurch die Feder verhärtet;
die Federsteifigkeit der Schraubenfeder ist erhöht.
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Durch
unterschiedliche Ausgestaltung der Führung und der Schraubenfeder
läßt sich
so eine auf den Anwendungsfall angepaßte, belastungsabhängige Dämpfungswirkung
einstellen. Die Anpassung der Federsteifigkeit kann richtungsabhängig erfolgen,
beispielsweise dadurch, daß axial
und/oder radial unterschiedliches Spiel vorgesehen ist.
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Durch
die Wahl der konstruktiven Gestaltung der Schraubenfeder mit an
den stirnseitigen Enden kleinem Windungsdurchmesser und zwischen
den Enden größer ausgebildeten
Windungsdurchmessern kann die Verhärtung der Feder dem Einsatzfall angepaßt werden.
Dabei können
die letzten, äußeren Windungen
einer Schrauben feder gleichen Windungsdurchmesser oder aber auch
unterschiedliche Windungsdurchmesser haben. So kann die Schraubenfeder
die Gestalt einer Tonne oder die eines Kegels haben.
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Eine
variable Steifigkeit über
die axiale Länge
der Schraubenfeder kann jedoch auch dadurch erreicht werden, daß der Federdrahtdurchmesser
in einem ersten Abschnitt der Schraubenfeder kleiner als der Federdrahtdurchmesser
in einem zweiten Abschnitt der Schraubenfeder ist. Der erste Abschnitt liegt
dabei vorteilhaft in einem Endabschnitt, und der zweite Abschnitt
umfaßt
die Mitte der Schraubenfeder. Der erste Abschnitt kann dabei größer oder
kleiner als der Endabschnitt sein. Eine kontinuierliche Änderung
der Steifigkeit in einem bestimmten Bereich der Verformung der Schraubenfeder
läßt sich auf
einfache Weise dadurch erreichen, daß der Federdrahtdurchmesser
vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt kontinuierlich zunimmt.
Eine sich ändernde
Steifigkeit kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, daß der Abstand
zwischen zwei benachbarten Windungen in einem dritten Abschnitt
der Schraubenfeder größer als
der Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen in einem vierten
Abschnitt der Schraubenfeder ist. Der dritte und vierte Abschnitt
können
alternativ oder zusätzlich
zu dem ersten und zweiten Abschnitt mit unterschiedlichem Federdrahtdurchmesser
vorhanden sein. Es können
jedoch auch nur dritte und vierte Abschnitte mit variablem Drahtdurchmesser
vorgesehen sein, während der
Abstand zwischen benachbarten Windungen konstant ist. Die ersten
und zweiten Abschnitte können
mit den dritten und vierten Abschnitten zusammenfallen, aber auch
von diesen verschieden sein. Vorteilhaft nimmt der Abstand zwischen
benachbarten Windungen vom dritten zum vierten Abschnitt kontinuierlich
ab. Der Abstand der Windungen bezieht sich dabei jeweils auf den
Abstand zwischen den Windungen in unbelastetem Zustand der Schraubenfeder.
Durch die Anpassung der Steifigkeit der Schraubenfeder über die Änderung
der Abstände zwischen
den Windungen und/oder die Änderung des
Drahtdurchmessers in Verbindung mit der Führung der Schraubenfeder im
Randabschnitt der Schraubenfeder mit Spiel kann die Dämpfungscharakteristik
des Antivibrationselements in einem weiten Verformungsbereich optimal
auf den Anwendungsfall angepaßt
werden. Damit kann auf einfache Weise ein gutes Dämpfungsverhalten
erreicht werden.
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Es
ist vorgesehen, daß der
Endabschnitt sich über
eine ¾-Windung
bis zwei Windungen, insbesondere über etwa 1¼ Windungen der Schraubenfeder erstreckt.
Dadurch kann die Schraubenfeder formschlüssig festgelegt werden, wobei
gleichzeitig die Anzahl der federnden Windungen bei vorgegebener Federlänge vergleichsweise
groß ist.
Der Randabschnitt erstreckt sich vorteilhaft über etwa eine bis vier Windungen.
Die Federsteifigkeit kann so ausreichend variiert werden. Gleichzeitig
ist eine ausreichende Beweglichkeit der Feder im nicht geführten Bereich
gewährleistet.
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Zweckmäßig ist
die Führung
an einem ins Innere der Schraubenfeder ragenden Stopfen ausgebildet,
der vorteilhaft eine Aufnahme für
ein Befestigungsmittel aufweist. Auch eine äußere Führung an der Außenseite
der Schraubenfeder kann zweckmäßig sein.
Der die Führung
bildende Stopfen kann unterschiedliche körperliche Gestalt haben und
ist vorzugsweise austauschbar, so daß eine Anpassung der Federkennlinie
durch Auswahl einer entsprechenden Führung bzw. eines entsprechenden
Stopfens oder auch ein Austausch der Stahlfeder möglich ist.
Der Benutzer hat so die Möglichkeit,
die Vibrationsdämpfung
den Anforderungen des Einsatzfalls entsprechend anzupassen. Vorteilhaft
hat der Stopfen zylindrische Gestalt, so daß er leicht zu fertigen ist
und zweckmäßig mit
der tonnigen, kegeligen oder in ähnlicher
Weise ausgebildeten Schraubenfeder zusammenwirkt. Der Stopfen kann
vorteilhaft auch ähnlich
einer Tonne, eines Kegels oder dgl. Raumform gestaltet sein.
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Die
Führung
am Stopfen ist vorteilhaft als wendelförmige Nut ausgebildet, in der
die Windungen der Schraubenfeder geführt sind. Die Montage der Führung in
der Schraubenfeder kann so durch einfaches Einschrauben bewerkstelligt
werden. Eine derartige wendelförmige
Nut ist einfach und mit geringen Fertigungstoleranzen herstellbar.
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Eine
einfache Anpassung der Steifigkeit in mehreren Belastungsbereichen
des Antivibrationselements kann dadurch erreicht werden, daß das Antivibrationselement
zwei parallel geschaltete Schraubenfedern mit unterschiedlicher
Federkennlinie umfaßt.
Durch die Parallelschaltung überlagern
sich die Kennlinien. Ändern
sich die Steifigkeiten der Schraubenfedern in die gleiche Richtung,
beispielsweise höhere
Steifigkeit bei zunehmender Belastung, kann durch die Parallelschaltung
der beiden Federn eine sehr starke Änderung der Steifigkeit erreicht
werden. Bei sich gegenläufig ändernden
Steifigkeiten kann ein Minimum oder Maximum der Steifigkeit in einem mittleren
Belastungsbereich erreicht werden. Die sich ändernde Steifigkeit jeder einzelnen
Schraubenfeder kann dabei durch eine oder mehrere der genannten
Maßnahmen
erreicht werden. Eine vorteilhafte, raumsparende Anordnung ergibt
sich, wenn eine Schraubenfeder im Inneren der anderen Schraubenfeder
angeordnet ist. Zweckmäßig ist
der Endabschnitt einer Schraubenfeder auf der Innenseite und der
Endabschnitt der anderen Schraubenfeder auf deren Außenseite
geführt.
Eine einfache Montage sowie eine Verringerung der benötigten Einzelteile läßt sich
dadurch erreichen, daß beide
Schraubenfedern an mindestens einem Ende an einem gemeinsamen Führungselement
geführt
sind.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind.
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Es
zeigen:
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1 ein
Antivibrationselement in unbelastetem Zustand,
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2 einen
Längsschnitt
durch das Antivibrationselement aus 1,
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3 eine
Führung
des Antivibrationselements aus 2 bei unbelasteter
Schraubenfeder,
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4 das
Führungselement
aus 3 bei belasteter Schraubenfeder,
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5 eine
perspektivische Darstellung des Antivibrationselements aus 1 bei
einachsiger Verformung,
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6 einen
Schnitt durch das Antivibrationselement in 5,
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7 das
Antivibrationselement aus 1 bei zweiachsiger
Verformung,
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8 einen
Schnitt durch das Antivibrationselement aus 7,
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9 eine
perspektivische Darstellung des Antivibrationselements aus 1 bei
Verformung und Stauchung in Längsrichtung,
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10 einen
Schnitt durch das Antivibrationselement aus 9,
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11 das
Antivibrationselement aus 1 bei Verformung
und Dehnung,
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12 einen
Schnitt durch das Antivibrationselement aus 11,
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13 eine
Schnittdarstellung eines Stopfens mit einer Schraubenfeder 2,
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14 ein
Kraft/Weg-Diagramm für
den Stopfen aus 13,
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15 eine
Darstellung der Federsteifigkeit über der Verformung für den Stopfen
aus 13,
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16 bis 23 Ausführungsvarianten
für die
Führung
in Schnittdarstellung,
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24 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Schraubenfeder als Antivibrationselement,
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25 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Schraubenfeder als Antivibrationselement,
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26, 28, 30, 32, 34 perspektivische
Darstellungen weitere Ausführungsbeispiele
von Antivibrationselementen,
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27, 29, 31, 33, 35 Schnittdarstellungen
der Antivibrationselemente der jeweils vorangehenden Figuren.
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Das
in 1 in perspektivischer Ansicht dargestellte Antivibrationselement 1 weist
eine aus einem geeigneten Federstahl bestehende Schraubenfeder 2 auf,
die vorteilhaft an beiden Enden an jeweils einem Stopfen 3, 4 geführt ist,
der vorteilhaft – z.
B. gegen einen Stopfen anderer Form oder mit anderen Maßen – austauschbar
angeordnet ist. Wie auch die Schnittdarstellung in 2 zeigt,
ragen die Stopfen 3, 4 ins Innere der Schraubenfeder 2.
Jeder Stopfen 3, 4 weist eine wendelförmige Nut 9, 10 auf,
die die Führung
der Schraubenfeder 2 bildet. Die Schraubenfeder 2 ist
in ihren Endabschnitten 7, 8 formschlüssig in
der Nut 9, 10 geführt. Die Endabschnitte 7, 8 erstrecken
sich zweckmäßig über eine ¾-Windung
bis zwei Windungen, insbesondere über etwa 1¼ Windungen der Schraubenfeder 2.
Die Anzahl der Windungen wird dabei von den in 1 dargestellten
Enden 5 und 6 der Schraubenfeder 2 gemessen.
An die Endabschnitte 7 und 8 schließen sich Randabschnitte 11 und 12 an,
die sich zweckmäßig über etwa
eine bis vier Windungen erstrecken. An den Randabschnitten 11 und 12 ist
die Schraubenfeder 2 mit Spiel in der Nut 9 bzw. 10 geführt.
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Die
im Stopfen 3 ausgebildete Nut 9 besitzt einen
trapezförmigen
Querschnitt. Der Nutgrund 15 verläuft etwa parallel zur Längsachse 13 der
Schraubenfeder 2. Die Flanken 16 und 17 begrenzen
die Nut 9 in Richtung der Längsachse 13. Die Flanken 16 und 17 sind
gegenüber
der Längsachse 13 um
einen Winkel α geneigt.
Entsprechend weist die im Stopfen 4 ausgebildete Nut 10 einen
etwa parallel zur Längsachse 13 verlaufenden
Nutgrund 18 sowie zur Längsachse 13 um
den Winkel α geneigte
Flanken 19 und 20 auf. Der Winkel α ist kleiner
als 90° und
beträgt insbesondere
etwa 30° bis
80°. Der
Nutgrund 15 bzw. 18 weist zur Schraubenfeder 2 Spiel
b auf. Mit steigendem Abstand vom Endabschnitt 7 bzw. 8 vergrößert sich
das Spiel b. Wie in 2 dargestellt, vergrößert sich
das Spiel b im Verlauf einer halben Windung der Schraubenfeder 2 auf
das Spiel b'. Hierbei verkleinert
sich der in 3 dargestellte Abstand a des
Nutgrunds 15 zur Längsachse 13 der
Schraubenfeder auf den Abstand a'.
Die Linie 23, die durch den Verlauf des Nutgrunds 15 im
Randabschnitt 1 gebildet ist, läuft somit in Richtung auf die
Mitte der Schraubenfeder 2 kegelig zu.
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In
axialer Richtung weist die Schraubenfeder 2 zur Flanke 16 das
Spiel c und zur Flanke 17 das Spiel d auf. Die Schraubenfeder 2 besitzt
im Randabschnitt 11 zum Stopfen 3 somit in radialer
und in axialer Richtung Spiel. Entsprechendes Spiel weist die Schraubenfeder 2 zum
Stopfen 4 im Randabschnitt 12 auf. Die Stopfen 3 und 4 können jedoch
auch unterschiedlich ausgebildet sein, so daß die Randabschnitte 11 und 12 in
axialer und/oder radialer Richtung unterschiedliches Spiel zu den
Stopfen 3 und 4 aufweisen können.
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Bei
einer in 4 dargestellten Verformung der
Schraubenfeder 2 verringert sich der Abstand der Schraubenfeder 2 zur
Führung 9 auf
der Biegeaußenseite 21.
Die Schraubenfeder 2 liegt, wie in 4 dargestellt,
am Nutgrund 15 an. Die anliegende Windung trägt nicht
mehr zur Federwirkung bei. Die Anzahl der federnden Windungen wird
verkleinert und somit die Federsteifigkeit der Schraubenfeder 2 erhöht. Auf
der Biegeinnenseite 22 vergrößert sich das Spiel im Nutgrund 15 auf
das Spiel b''. Die Schraubenfeder 2 liegt
an der ersten Flanke 16 an, während das Spiel d' zur zweiten Flanke 17 gegenüber dem unbelasteten
Zustand vergrößert ist.
Durch einfachen Austausch des dargestellten Stopfens gegen einen
anderer Form oder mit anderen Maßen kann das die Federcharakteristik
bestimmende Spiel und damit die Progression geändert werden, so daß der Benutzer
die Möglichkeit
hat, das Antivibrationselement 1 in seiner Charakteristik
und Progression dem Einsatzfall entsprechend anzupassen. Auch ist
ein einfacher Austausch der Schraubenfeder selbst möglich, so
daß eine Änderung
der Federcharakteristik oder ein Austausch aufgrund Verschleiß möglich ist.
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Zur
Fixierung, beispielsweise in einem tragbaren, handgeführten Arbeitsgerät, ist ein
Ende der Schraubenfeder an einem ersten und ein zweites Ende der
Schraubenfeder an einem zweiten Gehäuseteil festgelegt. Zur Fixierung
der Schraubenfeder an den nicht dargestellten Gehäuseteilen
weisen die Stopfen 3, 4 Längsbohrungen 14 auf,
die zur Aufnahme eines Befestigungsmittels dienen. Dies kann beispielsweise
ein in die Längsbohrung 14 ragender
Stift sein. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß die Längsbohrung 14 mit
Innengewinde versehen ist und zur Fixierung eine Schraube in einen
Stopfen 3 oder 4 eingeschraubt wird. Das erste
Gehäuseteil
kann beispielsweise ein mit dem Antriebsmotor des Arbeitsgeräts verbundenes
Bauteil sein, während
das zweite Gehäusebauteil
zweckmäßig mit
dem Handgriff des Arbeitsgeräts
verbunden ist.
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In 5 und 6 ist
das Antivibrationselement 1 senkrecht zur Längsmittelachse 24 des
Stopfens 3 und der Längsmittelachse 25 des
Stopfens 4 verformt. Bei der Darstellung in den 5 und 6 beträgt die Verformung
7 mm in Richtung der X-Achse. Die Längsmittelachse 25 des
Stopfens 4 ist somit um 7 mm in Richtung der X-Achse gegenüber der Längsmittelachse 24 des
Stopfens 3 versetzt. Wie in 6 dargestellt,
verläuft
die Z-Achse in Richtung der Längsmittelachsen 24 und 25 und
die Y-Achse erstreckt sich senkrecht in die Blattebene hinein. Durch die
Verformung wird auf der Biegeinnenseite 22 der Abstand
der Schraubenfeder 2 zu den Stopfen 3 und 4 im
Nutgrund vergrößert. An
der Flanke 16 der Nut 9 liegt die Schraubenfeder 2 an,
während
zur Flanke 17 Spiel besteht. Entsprechendes gilt für die Biegeinnenseite 22 am
Stopfen 4. Auf der Biegeaußenseite 21 liegt
die Schraubenfeder 21 an den Stopfen 3 und 4 jeweils
an. Die Anzahl der federnden Windungen der Schraubenfeder 2 ist
dadurch verkürzt
und die Federsteifigkeit gegenüber
dem unbelasteten Zustand erhöht.
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In
den 7 und 8 ist das Antivibrationselement 1 bei
einer Verformung in X-Richtung von 7 mm und in Y-Richtung von 7
mm dargestellt. Die Längsmittelachse 24 des
Stopfens 3 weist somit zur Längsmittelachse 25 des
Stopfens 4 sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung
einen Abstand von 7 mm auf. Auch hier liegen die Windungen auf der Biegeaußenseite 21 an
den Stopfen 3 und 4 jeweils an, so daß die Anzahl
der federnden Windungen gegenüber
dem unbelasteten Zustand verringert und die Federkonstante erhöht ist.
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In
den 9 und 10 ist das Antivibrationselement 1 zusätzlich zur
Verformung in X-Richtung um 7 mm und in Y-Richtung um 7 mm, in Richtung
der Z-Achse um 5 mm verkürzt
und in den 11 und 12 zusätzlich um
5 mm verlängert. Wie
in 10 dargestellt, ist bei einer starken Verformung
und Verkürzung
des Antivibrationselementes die Federkonstante der Schraubenfeder 2 weiter
verringert. Dies wird dadurch erreicht, daß in einem an den Randbereich 11 angrenzenden
Bereich 54 der Schraubenfeder 2 die Windungen
der Schraubenfeder 2 auf Block liegen. An den Stopfen 3 und 4 liegen die
Windungen nach wie vor an. Im Gegensatz dazu weisen bei der in den 11 und 12 dargestellten
Verlängerung
des Antivibrationselementes 1 die Windungen der Schraubenfeder 2 bereits
in den Randabschnitten 11 und 12 radiales Spiel
b und axiales Spiel c und d auf. Die Federkonstante der Schraubenfeder 2 ist
somit bei dem in den 11 und 12 dargestellten
Verformungszustand kleiner als bei dem in den 9 und 10 dargestellten
Verformungszustand.
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In 13 ist
ein Stopfen 26 mit einer Nut 27 dargestellt, in
der eine Schraubenfeder 2 geführt ist. Die Nut 27 besitzt
etwa kreisbogenförmigen
Querschnitt, der in einem Randbereich 11 der Schraubenfeder 2 in
axialer und radialer Richtung ein Spiel e zur Schraubenfeder 2 aufweist.
In 14 ist das Kraft/Weg-Diagramm für ein Antivibrationselement mit
einem Stopfen 26 dargestellt und in 15 der Verlauf
der Federkonstante C über
dem Weg s. Im Bereich 30 verläuft die Kraft F zum Weg s,
wie durch die Linie 28 angedeutet, etwa konstant. In diesem Bereich
der Verformung sind die Windungen in dem Randbereich 11 und 12 der
Schraubenfeder 2 gegenüber
der Führung
beweglich, weisen also Spiel zur Nut 27 auf. In den angrenzenden
Bereichen 32 legen sich die Windungen der Schraubenfeder 2 ausgehend
vom Endabschnitt 7 und 8 in den Randbereichen 11 und 12 mehr
und mehr an die Führung
an. Die zur Verformung der Schraubenfeder 2 notwendige
Kraft steigt im Bereich 32 überproportional an. Der Verlauf
der Federkonstante C ist in 15 durch
die Linie 29 angedeutet. Wie in 15 dargestellt,
verläuft
die Federkonstante C im Bereich 31, der dem Bereich 30 in 14 entspricht,
etwa konstant. Bei zu nehmender Verformung steigt die Federkonstante C
in den Bereichen 33, die den Bereichen 32 in 14 entsprechen,
an. Liegen alle Windungen im Randbereich an der Führung an,
so bleibt die Federkonstante C in den Bereichen 35 konstant.
Im entsprechenden Bereich 34 der Linie 28 bleibt
die zur Verformung notwendige Kraft F proportional zum Verformungsweg
s.
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Die
Nut, in der die Schraubenfeder 2 im Randbereich geführt ist,
hat auf den Anwendungsfall angepaßte Querschnittsformen. Die
in 16 im Querschnitt dargestellte Nut 36 besitzt
an einem oberen Bereich 55 senkrecht zur Längsachse 13 der Schraubenfeder 2 verlaufende
Flanken 56 und 57. In einem daran anschließenden unteren
Bereich 58 besitzt die Nut 36 einen kreisförmigen Querschnitt.
Bei geringer Verformung befindet sich die Schraubenfeder 2 im
oberen Bereich 55 der Nut 36 und besitzt zu den
Flanken 56 und 57 axiales Spiel f. Bei einer Verformung
der Schraubenfeder 2 und einer dadurch bedingten Verringerung
des radialen Spiels verringert sich auch das axiale Spiel f auf
einen Wert f', sobald die
Schraubenfeder 2 sich im unteren Bereich 58 befindet.
Die Federsteifigkeit C nimmt dadurch bei Verformung der Schraubenfeder 2 stark
zu.
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In 17 ist
eine Nut 37 mit trapezförmigem Querschnitt
dargestellt. Die Flanken 52 und 53 der Nut 37 sind
gegenüber
der Längsachse 13 der Schraubenfeder 2 um
einen Winkel β geneigt,
der etwa 45° entspricht.
Durch die Variation des Winkels β kann
die Zunahme der Federsteifigkeit C bei Verformung der Schraubenfeder 2 eingestellt
werden.
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In 18 ist
eine Nut 38 dargestellt, die in einem oberen Bereich 59 parallel
zueinander verlaufende Flanken 61 und 62 aufweist,
die senkrecht zur Längsachse 13 der
Schraubenfeder 2 verlaufen. In einem unteren Bereich 60 ist
die Nut 38 kreisbogenförmig
ausgebildet. Die Schraubenfeder 2 ist in der Nut 38 mit
radialem, jedoch ohne axiales Spiel geführt.
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19 zeigt
eine Nut 39 mit etwa quadratischem Querschnitt. Die Schraubenfeder 2 weist
zu den Flanken 63 und 64 und zum Nutgrund 65 Spiel
g auf. Der Abstand zwischen Feder und Nut kann dabei in allen Richtungen
gleich oder je nach Richtung unterschiedlich sein. Auch rechteckige
Nutquerschnitte können
vorteilhaft sein.
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In 20 ist
eine Nut 40 dargestellt, die in einem oberen Bereich 66 nur
geringes axiales Spiel aufweist. Die Flanken der Nut 40 verlaufen
in diesem Bereich senkrecht zur Längsachse der Schraubenfeder 2 und
parallel zueinander. Die Schraubenfeder 2 ist zwischen
den Flanken in axialer Richtung eng geführt. In einem unteren Bereich 67 erweitert
sich die Nut 40 in axialer Richtung, so daß bei zunehmender Verformung
das Spiel in axialer Richtung steigt, während das Spiel in radialer
Richtung durch den sich verringernden Abstand abnimmt.
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21 zeigt
eine Nut 41, die in einem oberen Bereich 68 großes axiales
Spiel, in einem mittleren Bereich 69 sehr geringes axiales
Spiel und in einem unteren Bereich 70 großes axiales
Spiel besitzt. Hierzu ist im mittleren Bereich 69 die Nut 41 eingeschnürt. Die
Federsteifigkeit steigt somit nicht stetig an, sondern nimmt wieder
ab, sobald sich die Schraubenfeder 2 im unteren Bereich 70 befindet.
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Die
Schraubenfeder 2 ist in der in 22 dargestellten
Nut 42 in einem oberen Bereich 71 in axialer Richtung
eng geführt.
Axiales Spiel ist im oberen Bereich 71 nicht gegeben. In
einem unteren Bereich 72 erweitert sich die Nut 42 zunächst, um
sich dann wieder zu verengen. Die Nut 42 hat etwa sechseckförmigen Querschnitt
im unteren Bereich 72.
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Die
in 23 dargestellte Nut 43 hat etwa kreisbogenförmigen Querschnitt.
Der Querschnitt der Nut 43 kann jedoch auch elliptisch
ausgebildet sein. Je nach gewünschter Änderung
der Federkonstante C und der zugelassenen maximalen Verformung können andere
Querschnitte der Führung
zweckmäßig sein.
Der Querschnitt kann dabei auf die gewünschte Progression der Kennlinie
des Antivibrationselements angepaßt werden. Anstatt zur Führung einen Stopfen
vorzusehen, kann die Schraubenfeder 2 auch an ihrem Umfang
geführt
sein. Über
die Konizität
der Nutwendel kann die Progression des Antivibrationselements ebenfalls
eingestellt werden. Eine richtungsabhängige Progression läßt sich
dadurch erreichen, daß die
Enden 5 und 6 der Schraubenfeder gegeneinander
verdreht sind. Auch eine in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich
tiefe und/oder breite Nutwendel kann vorteilhaft sein.
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In
den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist
es möglich,
durch Gestaltung der die Schraubenfeder haltenden Stopfen eine gewünschte Federcharakteristik
zu erzielen, wobei die Form der am Stopfen. ausgebildeten Nut ergänzenden
Einfluß auf
die Federsteifigkeit haben kann. Der Stopfen kann unterschiedlichste
Formen haben, z. B. tonnenförmig,
kegelig oder eine andere zweckmäßige Gestalt.
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In
den Ausführungsbeispielen
nach den 24 und 25 sind
Schraubenfedern 2 gezeigt, die abweichend von einer zylindrischen
Grundform gestaltet sind. Kern dieser Ausbildung ist, das für eine betriebsabhängige Federsteifigkeit
notwendige Spiel durch. eine vorteilhafte Gestaltung der Schraubenfeder 2 selbst
bereitzustellen. Hierzu ist die Schraubenfeder 2 derart
ausgebildet, daß ihre
Windungen zumindest über
die axiale Länge
eines Endabschnittes 7, 8 sich ändernde
Windungsdurchmesser haben. So ist die äußere, letzte Windung 80 der Schraubenfeder 2 mit
einem größeren Windungsdurchmesser
D1 ausgebildet, der kleiner ist, als eine zweite,
benachbart liegende Windung 81, die mit einem Windungsdurchmesser
D2 ausgebildet ist. Über die axiale Länge der
Schraubenfeder 2 ist somit ein wachsender Windungsdurchmesser
vorgesehen, wobei sich der Windungsdurchmesser jeweils zu den Enden 7, 8 der
Schraubenfeder 2 verringert. Dadurch ergibt sich die in 24 dargestellte
tonnenförmige Gestalt
der Schraubenfeder 2. Die äußeren, letzten Windungen 80 der
Schraubenfeder 2 haben gleichen Windungsdurchmesser D1, so daß die
Enden der Schraubenfeder 2 in einer Nut 75 eines
bevorzugt zylindrisch ausgebildeten Stopfens 26 gehalten
werden können.
Der zylindrische Ansatz 26a des Stopfens 26 ragt
in die Schraubenfeder 2 ein, wobei die Schraubenfeder 2 und
der Stopfen 26 im unbelasteten Zustand bevorzugt eine gleiche
Längsmittelachse 13 haben.
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Bei
einer zylindrischen Ausgestaltung des in die Schraubenfeder 2 ragenden
Stopfenansatzes 26a wird das radiale Spiel zwischen den
Windungen und dem Außenumfang
des Stopfens 26a ausschließlich durch den sich erweiternden
Windungsdurchmesser der Schraubenfeder 2 bereitgestellt.
Es kann zweckmäßig sein,
ergänzend
den Stopfen tonnenförmig
oder kegelig zu gestalten, wodurch sich das Spiel zwischen der Windung 81 der
Schraubenfeder 2 und der Anlagenut 75 im Stopfen 26 sowohl durch
die tonnenförmige
bzw. kegelige Gestalt des Stopfenansatzes und als auch durch den
sich erweiternden Windungsdurchmesser der Schraubenfederwindungen
bestimmt ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 25 ist die Schraubenfeder 2 selbst kegelig
gewickelt, wobei an nur einem Ende der Schraubenfeder 2 ein
Stopfen 26 ausgebildet ist, dessen – im Ausführungsbeispiel zylindrisch
dargestellter Ansatz 26a – in die kegelige Schraubenfeder 2 einragt.
Das zur Gestaltung der Federsteifigkeit über die Belastung notwendige
Spiel zwischen dem Außenumfang
des zylindrischen Stopfenansatzes 26a und den jeweiligen
Windungen 81 wird durch die Gestalt der Schraubenfeder 2 erzielt. Deren
Windungsdurchmesser erweitert sich von der ersten Windung 80 mit
dem Windungsdurchmesser D1 zu einem maximalen
Windungsdurchmesser am Ende 8 der Schraubenfeder 2.
An diesem Ende 8 ist vorgesehen, die letzte Windung mit
deutlich verringertem Windungsdurchmesser zu gestalten, um so eine
Befestigungsmöglichkeit
der kegeligen Schraubenfeder 2 am Ende 8 zu erhalten.
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Die 26 und 27 zeigen
ein Antivibrationselement 79, das eine Schraubenfeder 82 umfaßt, die
an zwei Stopfen 3 und 4 ge führt ist. Die Schraubenfeder 79 liegt
dabei mit ihren Endabschnitten 83 und 84 an der
in den Stopfen 3 und 4 ausgebildeten Führung an
und besitzt zur Führung
in den Randabschnitten 85 und 86, die an die Endabschnitte 83 und 84 angrenzen,
Spiel. Die Stopfen 3 und 4 entsprechen den in
den 1 bis 12 dargestellten Stopfen 3 und 4.
Die Schraubenfeder 79 besitzt – unabhängig von der Ausgestaltung
der Stopfen 3 und 4 – eine nichtlineare Kennlinie.
In den Endabschnitten 83 und 84 besitzt die jeweils
letzte Windung 88 zur benachbarten Windung 89 einen
Abstand g. Im Mittelabschnitt 87 der Schraubenfeder 82,
der sich zwischen den beiden Stopfen 3 und 4 erstreckt
und der die geometrische Mitte 90 der Schraubenfeder 82 umfaßt, besitzen
zwei benachbarte Windungen 78 zueinander den Abstand h.
Der Abstand h ist kleiner als der Abstand g. Dies führt dazu,
daß sich
die Windungen im Mittelabschnitt 87 ab einer bestimmten Belastung
aneinander anlegen und nicht mehr zur Federwirkung beitragen. Dies
führt zu
einer Zunahme der Federsteifigkeit und damit zu einer nichtlinearen
Kennlinie. Im Bereich zwischen den Endabschnitten 83 und 84 und
dem Mittelabschnitt 87 nimmt der Abstand zwischen benachbarten
Windungen kontinuierlich ab. Durch die Kombination einer Schraubenfeder 82 mit
nichtlinearer Kennlinie und den Stopfen, die in den Randabschnitten
Spiel zur Schraubenfeder 82 besitzen, läßt sich die Dämpfungswirkung
in Abhängigkeit
der Verformung gut einstellen. Hierdurch ergibt sich ein gutes Dämpfungsverhalten
des Antivibrationselements.
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Die 28 und 29 zeigen
ein Antivibrationselement 91, das eine Schraubenfeder 92 besitzt, die
zwischen zwei Stopfen 93 und 94 gehalten ist. Die
Stopfen 93 und 94 führen die Schraubenfeder 92 in
ihrem Innern. Die Schraubenfeder 92 ist tonnenförmig ausgebildet.
Demnach ist der Windungsdurchmesser D3 der
letzten Windungen 99 in den Endabschnitten 96 und 97 der
Schraubnfeder 92 kleiner als der Windungsdurchmesser D4 im Bereich der Mitte 98 der Schraubenfeder 92.
Der Federdraht der Schraubenfeder 92 hat an den Enden der
Schraubenfeder 92 einen geringeren Abstand zur Längsachse 95 der
Schraubenfeder 92 als im Bereich der Mitte 98.
Die Stopfen 93 und 94 können entsprechend den Stopfen 3 und 4 eine
trapezförmige
Führung
besitzen, bei der der Abstand k des Nutgrunds 110 zur Längsachse 95 in
Richtung auf die Mitte 98 der Schraubenfeder 92 abnimmt.
Aufgrund der tonnenförmigen
Gestalt der Schraubenfeder 92 kann der Abstand k jedoch
auch über
die gesamte Führung
konstant sein. Das Spiel zwischen der Schraubenfeder 92 und
der Führung
ergibt sich dann aufgrund der Tonnenform der Schraubenfeder 92.
Vorteilhaft ist der Windungsdurchmesser D3 an
den letzten Windungen 99 am geringsten und bereits bei
den benachbarten Windungen 100 größer. Der Windungsdurchmesser
nimmt vorteilhaft von den Endabschnitten 96 und 97 zur
Mitte der Schraubenfeder 92 hin kontinuierlich zu. Die
Schraubenfeder kann jedoch auch in einem Mittelabschnitt, der die
Mitte 98 umfaßt,
einen konstanten Windungsdurchmesser besitzen. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
umfaßt der
Mittelabschnitt 109 mit dem größten Windungsdurchmesser D4 etwa eine Windung.
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Die 30 und 31 zeigen
ein Antivibratonselement 101 mit einer Schraubenfeder 102,
die zwischen zwei Stopfen 103 und 104 gehalten
ist. Wie 31 zeigt besitzt die Schraubenfeder 102 im
ersten Endabschnitt 105 einen Windungsdurchmesser D5.
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Der
Windungsdurchmesser der Schraubenfeder nimmt vom ersten Endabschnitt 105 am
Stopfen 103 bis zum zweiten Endabschnitt 106 am
Stopfen 104 kontinuierlich bis auf den Windungsdurchmesser
D6 ab. Die Schraubenfeder 102 besitzt
demnach eine konische Farm. Die Schraubenfeder 102 ist
im Endabschnitt 105 am Stopfen 103 in einer Führung geführt, die
als wendelförmige
Nut mit trapezförmigem
Querschnitt ausgebildet ist. Im angrenzenden Randabschnitt 126 ist
die Schraubenfeder 102 mit Spiel in der Führung geführt. Der
Nutgrund 107 der Nut besitzt zur Längsachse 108 der Schraubenfeder 102 einen
Abstand 1, der in Richtung auf die Mitte der Schraubenfeder 102 abnimmt.
Der Stopfen 104 ist entsprechend dem Stopfen 4 aus
den 1 bis 12 ausgebildet. Der Stopfen 104 kann
jedoch auch eine Nut mit konstanter Tiefe besitzen, bei der der
Nutgrund also einen konstanten Abstand zur Längsachse 108 der Schraubenfeder 102 besitzt. Das
Spiel im zweiten Randabschnitt 127 ergibt sich dann durch
die konische Form der Schraubenfeder 102.
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Aufgrund
des vom ersten Endabschnitt 105 zum zweiten Endabschnitt 106 kontinuierlich
abnehmenden Windungsdurchmessers der Schraubenfeder 102 nimmt
die Federsteifigkeit vom ersten Endabschnitt 105 zum zweiten
Endabschnitt 106 kontinuierlich zu. Dadurch legen sich
die Windungen im Bereich des Stopfens 103 zuerst voneinander
an und verringern bei entsprechender Belastung die Zahl der federnden
Windungen, so daß sich
die Federsteifigkeit mit zunehmender Verformung erhöht. Die Schraubenfeder 102 besitzt
unabhängig
von der Ausbildung der Führungen
in den Stopfen 103 und 104 eine nichtlineare Kennlinie.
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Die 32 und 33 zeigen
ein Antivibrationselement 111, das zwei Schraubenfedern 112 und 113 umfaßt. Die
Schraubenfedern 112 und 113 sind konzentrisch
zueinander angeordnet, so daß sie die
gleiche Längsachse 128 besitzen.
Die Schraubenfeder 113 ist dabei im Innern der Schraubenfeder 112 angeordnet.
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Die
Schraubenfedern 112 und 113 sind an ihren Enden
an zwei Führungselementen 114 und 115 gehalten.
Die Führungselemente 114 und 115 besitzen
jeweils einen Stopfen 129, dessen Form im wesentlichen
der Form der Stopfen 3 und 4 entspricht. An den
Stopfen 129 ist die innere Schraubenfeder 113 an
ihrer Innenseite 124 geführt. Die Schraubenfeder 113 liegt
dabei in einer Nut 117 am Führungselement 114 und
einer Nut 119 an dem Führungselement 115 an.
Die Schraubenfeder 113 ist an ihren Endabschnitten 122 und 123 fest
in der Führung
gehalten, während
sie in den an die Endabschnitte angrenzenden Randabschnitten 147 und 148 zu
den Nuten 117 und 119 Spiel besitzt.
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Die äußere Feder 112 ist
in topfförmigen
Abschnitten 130, die an die Stopfen 129 angeformt
sind, an ihrer Außenseite 125 geführt. Dabei
ist die Schraubenfeder 112 in ihren Endabschnitten 120 und 121 in
den Nuten 116 und 118 in den Abschnitten 130 fest
geführt,
während
sie in den angrenzenden Randabschnitten 145 und 146 zu
den Nuten 116 und 118 Spiel besitzt. Die Schraubenfedern 112 und 113 besitzen
unterschiedliche Kennlinien, wobei vorteilhaft beide Kennlinien
nichtlinear sind. Die Nichtlinearität der Kennlinien der Schraubenfedern 112 und 113 kann
durch einen variablen Drahtdurchmesser, variable Abstände zwischen
den Windungen oder unter schiedliche Windungsdurchmesser realisiert
sein. Auch eine Kombination dieser Ausführungen kann zweckmäßig sein.
Durch die unterschiedlichen nichtlinearen Kennlinien der Schraubenfedern 112 und 113 läßt sich
eine gute Anpassung des Dämpfungsverhaltens
an die jeweilige Belastung einstellen. Die Kennlinien der Federn 112 und 113 können jedoch auch
linear sein. Hierdurch läßt sich
ein Antivibrationselement mit geringer Baugröße erzielen, bei dem die Nichtlinearität der Kennlinie
des gesamten Elements durch die Ausbildung der Führungen an den Stopfen realisiert
wird.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in den 34 und 35 dargestellt.
Das Antivibrationselement 131 besitzt eine Schraubenfeder 132,
die an den Stopfen 3 und 4 geführt ist. An ihren Endabschnitten 133 und 134 liegt
die Schraubenfeder 132 an den Stopfen 3 und 4 an,
während
sie an den daran angrenzenden Randabschnitten 141 und 142 zu
den Stopfen 3 und 4 Spiel besitzt. In einem ersten Abschnitt 140,
der im Ausführungsbeispiel
im Bereich der Endabschnitte 133 und 134 angeordnet
ist, besitzt die Schraubenfeder 132 einen Federdrahtdurchmesser 136.
In einem zweiten Abschnitt 139 der Schraubenfeder 132,
der die Mitte 135 der Schraubenfeder 132 umfaßt, besitzt
die Schraubenfeder 132 den Federdrahtdurchmesser 137,
der größer als
der Federdrahtdurchmesser 136 ist. Der Federdrahtdurchmesser
nimmt zweckmäßig von
den ersten Abschnitten 140 in Richtung auf den zweiten Abschnitt 139 kontinuierlich
zu. Damit besitzt die Schraubenfeder in ihrem zweiten Abschnitt 139 eine größere Steifigkeit.
Hierdurch ergibt sich eine nichtlineare Kennlinie der Schraubenfeder 132.
Durch die Kombination des variablen Drahtdurchmessers mit den Stopfen 3 und 4,
die in den Randabschnitten der Schraubenfeder Spiel zur Führung besitzen,
kann die Kennlinie des Antivibrationselements 131 gut an
den jeweiligen Einsatzfall angepaßt werden.
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Die
Stopfen und Führungselemente
in allen Ausführungsbeispielen
sind wendelförmig
ausgebildet und können
durch einfaches Ein- bzw. Ausschrauben von den Schraubenfedern gelöst werden. Damit
ist ein einfacher Austausch der Stopfen ermöglicht, so daß durch
den Austausch eines Stopfens eine weitere Anpassung des Dämpfungsverhaltens erfolgen
kann. Es kann zweckmäßig sein,
die unterschiedlichen Maßnahmen
zur Erzielung einer nichtlinearen Federkennlinie der Schraubenfeder
miteinander zu kombinieren, um eine optimale Anpassung zu erreichen.