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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Tellerfedern
oder Wellfedern, an denen Oberflächenbereiche,
die bei Belastung der Feder durch Zugspannungen beansprucht werden,
mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen werden.
Die Erfindung erfaßt
weiterhin Tellerfedern oder Wellfedern, an denen Oberflächenbereiche,
die bei Belastung der Feder durch Zugspannungen beansprucht werden,
mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind.
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Mit
dem Begriff Randschicht wird hierbei ein von der Oberfläche ausgehender
Tiefenbereich mit am fertigen Bauteil erzeugter Druckeigenspannung bezeichnet.
Durch eine Druckeigenspannung in der Randschicht wird eine Rißbildung
und das Rißwachstum
von der Oberfläche
aus behindert, was zu einer erhöhten
Dauerfestigkeit des Bauteils führt.
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Die
genannten Tellerfedern oder Wellfedern haben geschlossen kreisringförmige Form,
wobei sie überwiegend
gleichmäßige Materialdicke
aufweisen.
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Tellerfedern
haben bei äußerst kurzer
Baulänge üblicherweise
degressive Kennlinien. Sie erbringen hohe Federkräfte bereits
bei geringen Federwegen. Tellerfedern werden häufig als Federsäulen mit übereinstimmender
oder wechselnder Konuslage, aber auch als Einzelelemente verwendet.
Sie können
an ihrer Innenkante und/oder an ihrer Außenkante geschlitzt oder gezahnt
sein.
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Wellfedern
sind zumeist relativ zu einer Ebene gewellte Federelemente oder
relativ zu einer Konusfläche
gewellte Federelemente, die lineare oder progressiv verlaufende
Kennlinien aufweisen.
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Beide
Federarten werden im Einsatzfall auch statisch, zumeist jedoch dynamisch
beansprucht.
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Tellerfedern
und Wellfedern werden in zahlreichen Anwendungen im Maschinen- und
Anlagenbau verwendet. Ein weites Einsatzgebiet ergibt sich insbesondere
in den Lamellenkupplungen von Automatikgetrieben.
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Die
Herstellung von Tellerfedern und Wellfedern erfolgt bei Federn mit
geringerer Dicke durch Ausstanzen von Federplatinen aus einem kaltgewalzten
Flachband. Dies geschieht entweder durch Normalstanzen oder durch
Feinschneiden, letzteres um eine bessere Qualität der Schnittkante zu erzielen.
Nach dem Ausstanzen der Federplatinen wird üblicherweise der beim Normalstanzen
bzw. beim Feinschneiden entstehende Grat durch Gleitschleifen entfernt.
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Eine
Umformung der Federplatinen erfolgt im Anschluß daran durch Warm- oder Kaltumformung.
Zur Erzielung der Federeigenschaften werden die Federplatinen anschließend vergütet. Durch
ein Kugelstrahlen nach dem Vergütungsprozeß kann eine
Druckeigenspannung in der Randschicht erzeugt werden und dadurch
die Lebensdauer der Tellerfedern oder Wellfedern für eine dynamische
Belastung verbessert werden.
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Bei
Belastung der Tellerfedern oder Wellfedern wird die Druckeigenspannung
durch in Umfangsrichtung des Federrings wirkende Zugspannungen reduziert
oder abgebaut.
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Aufgrund
hoher Zugspannungen bei Belastung können oftmals bei hohen Kräften und
begrenzten Einbauräumen
nicht alle Forderungen an die Lebensdauer von Tellerfedern und Wellfedern
im Hinblick auf eine statische oder dynamische Beanspruchung erfüllt werden.
Dies gilt auch dann, wenn durch ein Kugelstrahlverfahren eine Druckeigenspannung in
der Randschicht der insbesondere auf Zugspannungen belasteten Oberflächenbereiche
an der entspannten Tellerfeder erzeugt worden ist.
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Es
ist daher häufig
erforderlich, Tellerfedern und Wellfedern in Mehrfachanordnung einzusetzen, um
die Beanspruchung der einzelnen Tellerfedern und Wellfedern niedrig
zu halten und damit die geforderte Lastwechselzahl im Einsatz zu
erfüllen.
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Verbunden
damit ist eine erhöhte
Anzahl an Tellerfedern oder Wellfedern und ein insgesamt vergrößerter Einbauraum.
Die erhöhte
Anzahl an Tellerfedern oder Wellfedern bedingt höhere Kosten; gleichzeitig resultieren
aus dem erforderlichen größeren Einbauraum
höhere
Aggregatkosten.
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In
der
DE 103 34 470
A1 sind Tellerfedern beschrieben, bei denen bei Belastung
durch Zugspannungen belastete Oberflächenbereiche durch Kugelstrahlen
oder durch Wärmebehandlung
mit einer erhöhten
Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind.
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Aus
der
DE 44 44 649 A1 sind
Tellerfedern bekannt, die aus Bandmaterial gestanzt sind, danach gehärtet und
aufgestellt werden, danach angelassen und kugelgestrahlt werden,
wobei anschließend
noch ein sogenanntes Setzen erfolgt. Bezüglich des Kugelstrahlens wird
dabei vorgeschlagen, die Strahlparameter auf der Federoberseite
und auf der Federunterseite unterschiedlich zu wählen, um die Kraft-Weg-Charakteristik der
Tellerfeder gezielt zu beeinflussen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung von Tellerfedern und Wellfedern vorzuschlagen, mit
dem die statische und dynamische Beanspruchbarkeit der entsprechenden
Erzeugnisse signifikant erhöht
werden kann, bzw. Tellerfedern und Wellfedern bereitzustellen, die
eine entsprechend erhöhte
statische und dynamische Beanspruchbarkeit aufweisen.
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Die
Lösung
besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Tellerfedern oder
Wellfedern, an denen Oberflächenbereiche,
die bei Belastung der Feder durch Zugspannungen beansprucht werden,
mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen werden,
wobei die genannten Oberflächenbereiche
bei elastisch verformter Feder unter Zugspannung gesetzt und durch
Kugelstrahlen verdichtet werden. Mit der hiermit beschriebenen Verfahrensführung werden
zum einen höhere
Druck eigenspannungen aufgebaut, als beim bisherigen Kugelstrahlverfahren;
zum anderen wird durch die beschriebene Verfahrensführung auch
die Möglichkeit
eröffnet,
das Maximum der Druckeigenspannung in tiefere Bereiche der Randschicht
zu verlagern. Hiermit wird eine Randschichtqualität erzeugt,
die auch bei eventuell vorhandenen Einschlüssen oder Fehlerstellen des Materials
zu erhöhten
Lebensdauerwerten der Federn bei statischer und dynamischer Belastung
führen.
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Nach
einer besonders günstigen
Verfahrensführung
ist vorgesehen, daß die
genannten Oberflächenbereiche
durch Kugelstrahlen verdichtet werden, während in den genannten Oberflächenbereichen
die Streckgrenze überschritten
wird. Hierbei wird insbesondere vorgeschlagen, daß die genannten
Oberflächenbereiche
bei flachgedrückter
Feder verdichtet werden. Es ist jedoch auch eine von einem Flachdrücken in
die Planlage abweichende, geringere oder bei einer Tellerfeder eine über die
Planlage hinausgehende stärkere
Verformung möglich.
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Mit
dieser Verfahrensführung
lassen sich sowohl die Maximalwerte für die Druckeigenspannung in
der Randschicht als auch die Tiefenlage des entsprechenden Maximums
der Druckeigenspannung in der Randschicht signifikant erhöhen, wie
später
noch im einzelnen dargestellt wird.
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Sofern
das Verdichten durch Kugelstrahlen bei flachgedrückter Feder auf Teilbereiche
der Oberflächen
begrenzt wird, ist es günstig,
die übrigen
Bereiche durch ein Kugelstrahlen bei entspannter Feder zu verdichten.
Hierbei erfolgt in bevorzugter Weise das Oberflächenverdichten der Gesamtoberfläche bei
entspannter Feder zuerst.
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Das
Verdichten nach dem Kugelstrahlverfahren erfolgt in günstiger
Weise nach dem Vergüten
der Feder, damit die Ergebnisse des Kugelstrahlens nicht durch eine
anschließende
Wärmebehandlung
teilweise wieder beeinträchtigt
werden.
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Nach
einer günstigen
Verfahrensführung
erfolgt das erfindungsgemäße Verdichten
bei verformter Feder bei einer erhöhten Temperatur der Feder von
mehr als 150°C
bis etwa 250°,
insbesondere bei etwa 200°C.
Hiermit läßt sich
das Maximum der Druckeigenspannung in eine größere Tiefe unter der Oberfläche verlagern.
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Die
Erfindung umfaßt
weiterhin Tellerfedern oder Wellfedern, an denen Oberflächenbereiche,
die bei Belastung der Feder durch Zugspannungen beansprucht werden,
mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind, wobei
das Maximum der Druckeigenspannung in der Randschicht der durch
Kugelstrahlen bei verformter Feder behandelten Oberflächenbereiche
mindestens 850 MPa beträgt.
In bevorzugter Ausführung
ist hierbei vorgesehen, daß die
Druckeigenspannung in der Randschicht der durch Kugelstrahlen bei
verformter Feder erzeugten Oberflächenbereiche in einer Tiefe
von 100 μm
mindestens 850 MPa beträgt.
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Ausgehend
von der an sich bekannten Gegebenheit, daß die Qualitätsverbesserung
durch eine Druckeigenspannung insbesondere die Oberflächenbereiche
erfassen muß,
die bei Belastung unter Zugspannungen in der Randschicht gesetzt
werden, ist insbesondere vorgesehen, daß zumindest eine der inneren
und äußeren Ringkanten
mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen ist, oder daß bei einer
Tellerfeder zumindest ein Randbereich der innenkonischen Unterseite
mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind, bzw. daß bei einer
Wellfeder zumindest jeweils ein Randbereich der gewellten oberen
und unteren Oberflächen
mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind. Die
Tellerfedern können
hierbei so gestaltet sein, daß die
Tellerfeder an ihrer Innenkante geschlitzt bzw. gezahnt ist und/oder
daß die
Tellerfeder an ihrer Außenkante
geschlitzt bzw. gezahnt ist. An den Wellfedern kann vorgesehen sein,
daß die
Wellung der Wellfeder von einer Tellerung, d. h. von einer Konizität überlagert
ist. Darüber hinaus
kann die Wellung auch über
dem Umfang so variieren, daß Minima
und Maxima unterschiedlicher Größe und Höhe in periodischer
Abfolge vorhanden sind.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend
beschrieben.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Tellerfeder
in einer ersten Ausführung;
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Tellerfeder
in einer zweiten Ausführung;
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Tellerfeder
in einer dritten Ausführung;
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Tellerfeder
in einer vierten Ausführung;
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Tellerfeder
in einer fünften
Ausführung;
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße Tellerfeder
in einer sechsten Ausführung;
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7 zeigt
eine erfindungsgemäße Tellerfeder
in einer siebten Ausführung;
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8 zeigt
eine erfindungsgemäße Tellerfeder
in einer achten Ausführung;
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9 zeigt
eine erfindungsgemäße Wellfeder
in einer ersten Ausführung;
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10 zeigt
eine erfindungsgemäße Wellfeder
in einer zweiten Ausführung;
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11 zeigt
eine erfindungsgemäße Wellfeder
in einer dritten Ausführung;
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12 zeigt
den Spannungsverlauf in der Randschicht einer erfindungsgemäß vorgespannt
kugelgestrahlten Tellerfeder oder Wellfeder im Vergleich mit dem
Spannungsverlauf in der Randschicht; einer herkömmlich kugelgestrahlten Tellerfeder
oder Wellfeder.
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Die 1 bis 5 werden
nachstehend zunächst
gemeinsam beschrieben. Es ist jeweils eine Tellerfeder 111 in 3D-Darstellung gezeigt, an der
ein vorne liegender Teilbereich weggeschnitten ist. Die Tellerfeder
ist insgesamt ein vollständiger
Kreisring. Die Tellerung ist derart, daß die Spitze des Öffnungskonus
der zueinander parallelen Ober- und Unterseite unterhalb des Federringes
liegt. Hierbei wird die obenliegende Seite als Unterseite 12 und
die untenliegende Seite als Oberseite 13 bezeichnet. Weiterhin
werden eine innere Ringkante 14 und eine äußere Ringkante 15 unterschieden.
Im Querschnitt ist die Tellerfeder 111 rechtwinklig,
d.h. sie besteht aus Blech von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke.
Die von Kugelstrahlverdichtung erfaßten Oberflächenbereiche sind als Grauflächen angelegt.
In den 1 bis 5 ist jeweils eine Kugelstrahlvorrichtung 31 in verschiedenen
Positionen dargestellt, wobei die verschiedenen Positionen die Kugelstrahlverdichtung verschiedener
Oberflä chenbereiche
symbolisieren sollen. Die Vorrichtung 31 wird in einer
nicht dargestellten Werkzeughalterung eingespannt, die numerisch
gesteuert insbesondere um drei Achsen bewegt werden kann. Mit in
der Darstellung nicht gezeigten Mitteln kann die Tellerfeder 111 aufgespannt werden und bei auf die
Oberflächen
der Tellerfeder ausgerichteter Vorrichtung 31 drehend um
ihre Achse angetrieben werden. Hierbei wird ein Druckimpuls in den
Oberflächen 33 erzeugt,
der die Oberflächen plastisch
umformt und dabei eine Druckeigenspannung in der Randschicht erzeugt.
Die jeweils vom Kugelstrahlen erfaßten Oberflächen sind in den Figuren dunkel
angelegt, wobei zur Verdeutlichung die Vorrichtung 31 jeweils
in einer Position an den behandelten Oberflächen dargestellt ist. Um die
Oberseite und Unterseite unterscheiden zu können, ist die Feder in entspannter
Stellung gezeigt, während
das Kugelstrahlen tatsächlich
an der vorgespannten, insbesondere flachgedrückten Tellerfeder erfolgt.
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In 1 wird
auf diese Weise die Unterseite 12, die innere Ringkante 14 und
die äußere Ringkante 15 durch
Kugelstrahlen unter Zugspannung verdichtet.
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In 2 wird
auf diese Weise die Unterseite 12 und die äußere Ringkante 15 durch
Kugelstrahlen unter Zugspannung verdichtet.
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In 3 wird
auf diese Weise die Unterseite 12 und die innere Ringkante 14 durch
Kugelstrahlen unter Zugspannung verdichtet.
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In 4 wird
auf diese Weise die äußere Ringkante 15 und
ein an diese anschliessender schmaler Randbereich 17 der
Unterseite 12 durch Kugelstrahlen unter Zugspannung verdichtet.
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In 5 wird
auf diese Weise die innere Ringkante 14 und ein an diese
anschließender schmaler
Randbereich 16 der Unterseite 12 durch Kugelstrahlen
unter Zugspannung verdichtet.
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Die 6 und 7 werden
zunächst
gemeinsam beschrieben. Es ist eine Tellerfeder 112 in gleicher
Darstellungsweise wie in den 1 bis 5 dargestellt,
wobei die Tellerfeder 112 jedoch
innen geschlitzt ist, so daß eine
glatte äußere Ringkante 15 wie
zuvor vorhanden ist, jedoch auf der Innenseite trapezförmige Schlitze 182 und trapezförmige Laschen 192 den Verlauf der inneren Ringkante 142 bestimmen. Die Laschen 192 werden von der Randschichtverdichtung
nicht erfaßt.
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In 6 erstreckt
sich die Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung auf die Unterseite 12 und
die außenliegende
Ringkante 15.
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In 7 erstreckt
sich die Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung auf die äußere Ringkante 15 und
einen schmalen an diesen anschließenden Randbereich 17 der
Unterseite 12.
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In 8 ist
eine Tellerfeder 113 in grundsätzlich gleicher
Darstellung wie in den 1 bis 5 gezeigt,
wobei die Tellerfeder 113 jedoch
außen
geschlitzt ist, so daß nur
eine glatte umlaufende innere Ringkante 14 vorhanden ist,
während
die äußere Ringkante 153 von trapezförmigen Schlitzen 183 und Laschen 193 definiert
wird. Die Kugelstrahlverdichtung erstreckt sich nicht auf die Laschen 193 . Stattdessen wird von der Kugelstrahlverdichtung
unter Zugspannung die Unterseite 12 und die innere Ringkante 14 der
Tellerfeder 113 erfaßt.
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Die 9 bis 11 werden
zunächst
gemeinsam beschrieben. Es ist jeweils eine Wellfeder 21 in
3D-Darstellung gezeigt, von der ein vorneliegender Teilbereich weggeschnitten
ist. Die Wellfeder ist insgesamt ein vollständiger Kreisring. Die Wellfeder
hat über
dem Umfang definitionsgemäß einen Wellenverlauf,
wobei sie zueinander parallele Ober- und Unterseiten erkennen läßt. Im einzelnen
sind eine Unterseite 22, eine Oberseite 23, eine
innere Ringkante 14 und eine äußere Ringkante 15 bezeichnet.
Im Querschnitt ist die Wellfeder 21 rechtwinklig, d.h.
sie besteht aus Blech von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke.
Eine Tellerung der Wellfeder 21 ist nicht erkennbar, sie
kann aber zur Wellung als ergänzendes
Gestaltungskriterium hinzutreten. Die Kugelstrahlvorrichtung 31 wird
in einer nicht dargestellten Werkzeughalterung eingespannt, die
numerisch gesteuert insbesondere um drei Achsen bewegt werden kann.
Mit in der Darstellung nicht gezeigten Mitteln kann die Wellfeder 21 aufgespannt
werden und bei auf die Oberflächen
der Tellerfeder ausgerichteter Vorrichtung 31 drehend um
ihre Achse angetrieben werden. Hierbei wird ein Druckimpuls in den
Oberflächen
erzeugt, der die Oberflächen
plastisch umformt und dabei eine Druckeigenspannung in der Randschicht
erzeugt. Die jeweils vom Kugelstrahlen erfaßten Oberflächen sind in den Figuren dunkel
angelegt, wobei zur Verdeutlichung die Vorrichtung 31 jeweils in
einer Position an den behandelten Oberflächen dargestellt ist. Um die
Oberseite und Unterseite unterscheiden zu können, ist die Feder in entspannter Stellung
gezeigt, während
das Kugelstrahlen tatsächlich
an der vorgespannten, insbesondere flachgedrückten Wellfeder erfolgt.
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In 9 wird
die Unterseite 22 und die Oberseite 23 von der
Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung erfaßt.
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In 10 werden
die Unterseite 22, die Oberseite 23 sowie die
inneren und äußeren Ringkanten 14, 15 von
der Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung erfaßt.
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In 11 wird
die innere Ringkante 14 und jeweils zwei begrenzte Randbereiche 162 , 163 im
Anschluß an
die innere Ringkante 14 auf der Unterseite 22 bzw.
der Oberseite 23 von der Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung
erfaßt.
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In
der 12 ist der Spannungsverlauf in der Randschicht
eines erfindungsgemäß behandelten Oberflächenbereiches
in MPa über
dem Abstand von der Oberfläche
in μm im
Vergleich mit einem Spannungsverlauf in der Randschicht einer Teller-
oder Wellfeder nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei eine
obere Kurve I das Ergebnis einer Verfahrensführung nach dem an der Stand
der Technik nach einem Kugelstrahlen der Teller- oder Wellfeder bei
entspannter Feder und die untere Kurve II das Ergebnis einer erfindungsgemäßen Verfahrensführung nach
einem Kugelstrahlen unter Einspannen der Tellerfeder oder Wellfeder,
d.h. bei einer in diesem Fall in die Planlage gedrückten Feder
darstellt. Die negativ angegebenen Druckeigenspannungswerte der
unteren Kurve II sind deutlich höher
und reichen tiefer in die Randschicht hinein, als sie bei der Kurve
I nach dem einem üblichen
Kugelstrahlverfahren zu erzielen sind.
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- 11
- Tellerfeder
- 12
- Unterseite
- 13
- Oberseite
- 14
- Innenkante
- 15
- Außenkante
- 16
- Randbereich
- 17
- Randbereich
- 18
- Schlitz
- 19
- Lasche
- 21
- Wellfeder
- 22
- Unterseite
- 23
- Oberseite
- 31
- Kugelstrahlvorrichtung