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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Federelement.
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein Federelement für einen
Spanner zum Klemmen von Bauteilen beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen,
dass das erfindungsgemäße Federelement
nicht nur für
Spanner Anwendung finden kann, sondern auch in anderen Bereichen
bekannte Federelemente ersetzen kann.
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Aus
dem Stand der Technik sind diverse Federelemente bekannt, die beispielsweise
zum Rückführen von
Elementen dienen. Dabei müssen
diese Federelemente den unterschiedlichsten Anforderungen dienen.
Bei einigen Anwendungen ist einerseits ein möglichst hoher Federweg erwünscht und
auch eine möglichst
hohe Federkraft. Auch steht oft nur sehr geringer Bauraum für ein Federelement
zur Verfügung.
Bekannte Federelemente, wie beispielsweise Spiralfedern, erreichen
entweder nicht die geforderte hohe Kraft, stellen nicht genügend Federweg zur
Verfügung
oder beanspruchen zuviel Platz.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Federelement
zur Verfügung zu
stellen, welches einerseits eine hohe Federkraft bietet, auf der
anderen Seite vergleichsweise wenig Bauraum benötigt und weiterhin gleichwohl
einen zufriedenstellenden Federweg ermöglicht.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der Ansprüche
1 und 12 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Federelement
weist einen ersten Verbindungsabschnitt auf, an dem ein erstes Bauteil
angeordnet werden kann. Weiterhin ist ein zweiter Verbindungsabschnitt
vorgesehen, an dem ein zweites Bauteil angeordnet werden kann. Weiterhin
ist ein Federungsabschnitt vorgesehen, der sich unverzweigt zwischen
dem ersten Verbindungsabschnitt und dem zweiten Verbindungsabschnitt
erstreckt.
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Erfindungsgemäß erstreckt
sich der Federungsabschnitt im wesentlichen in einer Ebene und weist
wenigstens 2 gekrümmte
Abschnitte auf, in denen der Federungsabschnitt um einen vorgegebenen Winkel
und bevorzugt um wenigstens 90° gekrümmt ist.
Weiterhin ist wenigstens ein zwischen den gekrümmten Abschnitten angeordneter
im wesentlichen geradlinig verlaufender Zwischenabschnitt vorgesehen.
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Unter
einem sich unverzweigt Erstrecken wird verstanden, dass der Abschnitt
insbesondere nicht in zwei oder mehrere Verästelungen übergeht, wie es bei einigen
Federungskomponenten aus dem Stand der Technik bekannt ist. Durch
dieses unverzweigte Führen
des Federungsabschnitts kann eine besonders gleichmäßige Kraftaufbringung
auf den gesamten Federungsabschnitt ermöglicht werden.
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Dadurch,
dass sich der Federungsabschnitt im wesentlichen in einer Ebene
erstreckt, kann der geforderten Bauraumreduzierung Rechnung getragen
werden.
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Unter
einer Krümmung
um einen vorgegebenen Winkel wird verstanden, dass sich in dem gekrümmten Abschnitt
die Richtung des Federungsabschnitts um diesen vorgegebenen Krümmungswinkel ändert. Dabei
ist dieser Krümmungswinkel
auf einen unbelasteten oder gering belasteten Zustand des Federelements
bezogen. Bevorzugt verläuft
die Krümmung
innerhalb des gekrümmten
Abschnitts gleichmäßig.
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Unter
einem im wesentlichen geradlinig verlaufenden Zwischenabschnitt
wird verstanden, dass die Krümmung
dieses Zwischenabschnitts weniger als 40°, bevorzugt weniger als 20° und bevorzugt
weniger als 10° beträgt. Dabei
wird die Krümmung
unter Bezugnahme auf eine Mittelachse dieses Zwischenabschnitts
verstanden.
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Vorzugsweise
ist das gesamte Federelement in einer Ebene angeordnet, d. h. nicht
nur der Federungsabschnitt sondern auch die beiden Verbindungsabschnitte.
Auch auf diese Weise kann der benötigte Bauraum für das Federelement
reduziert werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Verbindungsabschnitt
eine Öffnung
auf. Über
diese Öffnung
in den Verbindungsabschnitten können
die Bauteile angeordnet bzw. angelenkt werden, wobei auch eine drehbare
Anlenkung des betreffenden Bauteils möglich ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
geht wenigstens ein Verbindungsabschnitt über einen gekrümmten Übergangsabschnitt
in den Federungsabschnitt über.
Damit ist der gekrümmte Übergangsabschnitt
auch als gekrümmter
Abschnitt der obigen Art aufzufassen. Bei einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
weist der Federabschnitt eine variierende Breite auf. Der Begriff
der Breite wird eingehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert und
beschreibt eine jeweils senkrecht zu der Erstreckungsrichtung des
Federabschnitts angeordnete Breite.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weisen die gekrümmten
Abschnitte eine höhere
Breite auf als die geradlinig verlaufenden Zwischenabschnitte. Dabei
nehmen insbesondere die gekrümmten
Abschnitte die auf das Federelement aufgebrachte Kraft auf und durch
die geringere Breite der geradlinig verlaufenden Abschnitte kann
der gewünschte
hohe Federweg erreicht werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens ein gekrümmter
Abschnitt und sind bevorzugt alle gekrümmten Abschnitte um wenigstens
130°, bevorzugt
um wenigstens 150° und besonders
bevorzugt um wenigstens 170° gekrümmt. Dies
betrifft jedoch nicht zwangsläufig
auch die gekrümmten Übergangsabschnitte.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Federelement
im wesentlichen punktsymmetrisch bezüglich eines vorgegebenen Mittelpunkts
ausgeführt.
Diese Ausführungsform
erlaubt eine besonders effiziente und gleichmäßige Kräfteverteilung bei Belastung
des Federelements. Bevorzugt ist bei dieser speziellen Ausführungsform, aber
auch bei anderen Ausführungsformen,
das Federelement als ebene Schlangenlinie ausgeführt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ändert sich
die Breite des Federungsabschnitts von einem Maximalwert innerhalb
eines gekrümmten
Abschnitts zu einem Minimalwert innerhalb eines geradlinigen Zwischenabschnitts.
Dabei ändert
sich besonders bevorzugt die Breite des Federungsabschnitts von
dem Maximalwert zu dem Minimalwert wenigstens abschnittsweise stetig.
Damit sind keine sprunghaften Breitenänderungen vorhanden, wodurch
Spannungsspitzen in Übergangsbereichen
vermieden werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
nimmt die Breite des geradlinig verlaufenden Zwischenabschnitts
in einem zentralen Bereich des geradlinig verlaufenden Zwischenabschnitts
einen minimalen Wert an. Dies bedeutet, dass sich die Breite des
geradlinig verlaufenden Zwischenabschnitts von einem vorgegebenen
Wert, bei dem es sich beispielsweise um den Maximalwert handeln kann,
bevorzugt stetig auf den Minimalwert verringert, um anschließend wieder
zum anderen Ende des Zwischenabschnitts hin bevorzugt stetig auf
den Maximalwert anzusteigen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist das Federelement wenigstens vier gekrümmte Abschnitte und wenigstens
drei sich zwischen diesen gekrümmten
Abschnitten erstreckende, geradlinig verlaufende, Zwischenabschnitte
auf. Besonders bevorzugt sind bei dieser Ausführungsform zwei gekrümmte Übergangsabschnitte
an den Verbindungsabschnitten angeordnet. Allgemein können durch
eine Variation der gekrümmten
Abschnitte und der dazwischen liegenden geradlinigen Abschnitte
sowohl der Federweg als auch weitere Charakteristika (wie die Federkonstante)
des Federelements beeinflusst werden. Weiter ist es möglich, durch
eine Variation der oben beschriebenen Breite des Federungsabschnitts
die Federkonstante zu ändern.
Daneben kann auch die Dicke des Federungselements sowie die Kontur
der gekrümmten
Abschnitte verändert
werden, um die Charakteristika des Federelements zu beeinflussen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist das Federelement eine konstante Dicke auf.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Werkzeugmaschine mit
einem Federelement der oben beschriebenen Art gerichtet. Bei dieser Werkzeugmaschine
handelt es sich insbesondere um einen Spanner zum Klemmen von Bauteilen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Spanner,
der einen Spannarm aufweist, wobei dieser Spannarm mit Hilfe eines
Federelements der oben beschriebenen Art gegenüber einem weiteren Element
und bevorzugt einer Stange schwenkbar gelagert ist.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen:
Darin zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Federelement;
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2 eine
Detailansicht des Federelements aus 1;
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3 einen
Spanner mit einem erfindungemäßen Federelement;
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4 eine
Seitenansicht des Spanners aus 3;
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5 eine
Schnitt entlang der Linie C-C durch die Federelemente in dem Spanner
aus 3;
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6 ein
Schnitt entlang der Linie A-A durch den Spanner aus 4;
und
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7 eine
perspektivische Ansicht des Spanners aus 3.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Federelement 1.
Dieses Federelement 1 weist einen ersten Verbindungsabschnitt 4 und
einen zweiten Verbindungsabschnitt 6 auf. An diesen Verbindungsabschnitten
können
zwei zueinander bewegbare Teile, wie beispielsweise Bestandteile
eines Spanners, angeordnet werden. Zwischen diesen beiden Verbindungsabschnitten 4 und 6 erstreckt
sich ein Federungsabschnitt 8 in Form von Schlangenlinien.
Dabei weist dieser Federungsabschnitt eine Vielzahl von gekrümmten Abschnitten 11 und 12 auf,
wobei in 1 jeweils die unteren gekrümmten Abschnitte
mit 11 und die oberen gekrümmten Abschnitte mit 12 bezeichnet
werden.
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Weiterhin
ist bei der in 1 gezeigten Ausführungsform
auch an den beiden Verbindungsabschnitten 4 und 6 jeweils
ein gekrümmter Übergangsabschnitt 15 bzw. 16 vorgesehen.
Bei diesen Übergangsabschnitten 15 und 16 handelt
es sich ebenfalls um gekrümmte
Abschnitte, wobei in diesem Fall jedoch der gekrümmte Abschnitt nur in einer
Richtung in einen geradlinig verlaufenden Zwischenabschnitt 14 übergeht.
Im einfachsten Fall könnte
ein Federelement damit aus zwei Übergangsabschnitten 15 und 16 bestehen,
die an den Verbindungsabschnitten 4 und 6 angeordnet
sind, sowie einem geradlinig verlaufenden Zwischenabschnitt 14 zwischen
diesen Übergangsabschnitten.
Die Verbindungsabschnitte 4, 6 weisen Öffnungen 4a, 6a auf, um
ein weiteres Bauteil jeweils an diesen Öffnungen anzulenken. Man erkennt,
dass die gekrümmten
Abschnitte 11, 12 um 180° gekrümmt sind.
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Das
auf die in 1 gezeigte Weise konzipierte
Federelement weist hier einen Federweg von ca. 2 mm auf, während die
bislang im Stand der Technik in Spannern verwendeten Federelemente
lediglich einen Federweg von 1 mm erlauben. Die Dicke des Federelements
kann unterschiedlich gewählt werden
und beispielsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm liegen. Das Federelement
ist aus gehärtetem
Federstahl gefertigt.
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Das
Bezugszeichen M bezeichnet einen Mittelpunkt des Federelements,
bezüglich
dessen das Federelement punktsymmetrisch ist. Durch diese Punktsymmetrie
ergibt sich eine besonders gleichmäßige Kräfteverteilung und einfache
Bauweise.
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Das
Federelement ist in seiner Gesamtheit, d. h. einschließlich der
Verbindungsabschnite 4 und 6 in einer Ebene angeordnet,
wodurch in besonders vorteilhafter Weise eine Reduzierung des für das Federelement
nötigen
Bauraums erreicht wird. Diese Ebene fällt mit der Figurenebene zusammen.
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Man
erkennt, dass die Breite B des Federelements 1 entlang
des Federungsabschnitts 8 variiert. Genauer gesagt sind
die gekrümmten
Abschnitte jeweils breiter als die dazwischen liegenden geradlinig
verlaufenden Zwischenabschnitte 14.
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2 zeigt
eine Detailansicht des in 1 gezeigten
Federelements 1, genauer gesagt den in 1 durch
den Kreis A gekennzeichneten Abschnitt. Innerhalb des gekrümmten Abschnitts 11 weist
das Federelement eine sich stetig verändernde Breite auf, wobei die
Breite jeweils durch die eingezeichnete Erstreckungsrichtung ER
des Federungsabschnitts 8 und eine hierzu senkrechte Richtung
definiert wird. Bei der in 2 gezeigten
Ausführungsform
weist der gekrümmte
Abschnitt 11 eine maximale Breite Bmax von
5 mm auf. Der gekrümmte
Abschnitt erstreckt sich hier von der Linie X bis hin zu der Linie
Y.
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An
den gekrümmten
Abschnitt 11 schließt sich
der geradlinige Abschnitt 14 an, der hier jedoch nur zur
Hälfte
gezeigt ist. Innerhalb dieses Abschnitts reduziert sich die Breite
B von einem Maximalwert Bmax hin zu einem
Minimalwert Bmin, wobei diese Reduzierung
kontinuierlich bzw. stetig erfolgt.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform beträgt die minimale
Breite Bmin 2 mm. Die höchsten Belastungen wirken auf
das Federelement im Bereich der gekrümmten Abschnitte, weshalb in
diesen Bereichen die Breite des Federelements größer gewählt wird als in den geradlinig
verlaufenden Abschnitten 14. Durch die Verringerung der
Breite B in den geradlinig verlaufenden Abschnitten können zwei
Effekte erreicht werden. Einerseits kann eine Materialeinsparung
bewirkt werden und auf der anderen Seite kann durch die geringere
Breite der gesamte Spannungsgradient, der auf das Federelement,
bzw. den Federungsabschnitt wirkt, geringer gehalten werden, da
die geringeren Kräfte,
die auf den geradlinigen Abschnitt wirken, durch die entsprechende
geringere Breite ausgeglichen werden. Damit kann insgesamt das Leistungsvermögen des
Elements erhöht
werden.
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In 1 bildet
sich zwischen den Verbindungsabschnitten 4, 6 und
dem ersten langgestreckten Abschnitt 14 jeweils ein Spalt 9,
dessen Breite hier im Bereich von 0,6 mm und 1 mm liegt. Auch zwischen
den einzelnen benachbarten gekrümmten
Abschnitten 11 bilden sich Zwischenräume 13, deren Größe ausschlaggebend
für den
letztlich erreichbaren Federweg ist.
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Die 3–7 zeigen
einen Spanner 20 zum gegeneinander Verspannen von Bauteilen
und damit ein typisches Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Federelement.
Dieser Spanner (vgl. 3) weist einen Spannarm 25 auf,
der um einen Drehpunkt P schwenkbar angelenkt ist. Das Bezugszeichen 26 bezieht
sich dabei auf die Verschraubung dieses Spannarms und das Bezugszeichen 49 auf
eine entsprechende Schraube wie beispielsweise eine Zylinderschraube.
Das Bezugszeichen 28 kennzeichnet ein Gehäuseoberteil
des Spanners. Die schwenkbare Lagerung des Spannarms erfolgt mit Hilfe
von Nadelhülsen 45 (vgl. 4).
An dem Spannarm 25 ist ein (in 6 gezeigtes)
Abtriebsglied 22 vorgesehen, welches über einen Bolzen 24 an
dem Federelement 1 bzw. dessen Öffnung 4a (vgl. 1) angelenkt
ist.
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Das
Bezugszeichen 42 (6) bezeichnet eine
Nadelhülse,
um den zweiten Verbindungsabschnitt 5 des Federelements
gegenüber
einer Stange 19 schwenkbar anzuordnen. Dazu ist ein in 5 gezeigter
Bolzen 23, der über
eine Zylinderrolle 40 und einen Lagerring 31 angelenkt
ist, vorgesehen.
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Im
unteren Abschnitt von 3 ist der (nicht mehr im Detail
erläuterte)
Antrieb des Spanners dargestellt. Dabei ist eine Spindel 33 vorgesehen,
an der über
eine Einschraubmutter 32 und eine Aufnahme die Stange 19 angeordnet
ist. Diese Spindel 33 ist drehbar gegenüber einer Platte 30 der
Antriebseinheit über
eine Lagereinrichtung 36, genauer gesagt ein Rillenkugellager 36,
angeordnet. Das Bezugszeichen 48 bezieht sich auf einen
Sicherungsring für
die Lagereinrichtung und das Bezugszeichen 27 auf eine Buchse.
Mit einer Spannscheibe 43 wird die Lagereinrichtung 36 verspannt
und mit Hilfe einer Sechskantmutter 47 gegen achsiale Verschiebungen
gesichert. Das Bezugszeichen 35 bezieht sich auf ein Zahnrad
für den
Antrieb der Stange 19. Dieses Zahnrad wird durch ein weiteres
Zahnrad 38, welches über einen
Spannsatz 39 mit einer Abtriebswelle eines Motors 34 verbunden
ist, angetrieben. Dabei ist die Abtriebswelle 18 dieses
Motors über
ein Rillenkugellager 41 drehbar gelagert und der Motor 34 mit
einer Zylinderschraube 44 befestigt. Das Bezugszeichen 37 in 7 bezieht
sich auf eine Passfeder. Der Antrieb kann jedoch auch in anderer
Weise, z.B. durch einen Pneumatikzylinder erfolgen.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Federelement
- 4
- erster
Verbindungsabschnitt
- 4a
- Öffnung
- 6
- zweiter
Verbindungsabschnitt
- 6a
- Öffnung
- 8
- Federungsabschnitt
- 9
- Spalt
- 11,
12
- gekrümmte Abschnitte
- 13
- Zwischenräume
- 14
- Zwischenabschnitt
- 15,
16
- Übergangsabschnitte
- 18
- Abtriebswelle
- 19
- Stange
- 20
- Spanner
- 21
- Aufnahme
- 22
- Abtriebsglied
- 23
- Bolzen
- 24
- Bolzen
- 25
- Spannarm
- 26
- Verschraubung
- 27
- Buchse
- 28
- Gehäuseoberteil
- 30
- Platte
- 31
- Lagerring
- 32
- Einschraubmutter
- 33
- Spindel
- 34
- Motor
- 35
- Zahnrad
- 36
- Lagereinrichtung
- 37
- Passfeder
- 38
- Zahnrad
- 39
- Spannsatz
- 40
- Zylinderrolle
- 41
- Rillenkugellager
- 42
- Nadelhülse
- 43
- Spannscheibe
- 44
- Zylinderschraube
- 45
- Nadelhülse
- 47
- Sechskantmutter
- 48
- Sicherungsring
- 49
- Schraube
- A
- Kreis
- B
- Breite
des Federelements
- Bmin
- minimale
Breite des Federelements
- Bmin
- maximale
Breite des Federelements
- E
- Ebene
- ER
- Erstreckungsrichtung
- M
- Mittelpunkt
des Federelements
- P
- Drehpunkt