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Torsionsfedern
sind seit langer Zeit bekannt. Nachteilig ist, dass sie, um ein
Drehmoment mit nennenswertem Verdrehwinkel aufnehmen zu können, sehr
lang sein müssen. Diesem Nachteil lässt sich dadurch
abhelfen, dass die Federn als ineinander geschachtelte röhrenförmige
Hohlkörper ausgebildet werden, die an einem Ende mit einem
innenliegenden und am anderen Ende einem außenliegenden Hohlkörper
verbunden sind. Derartige Federkonstruktionen sind aus dem Stand
der Technik bekannt.
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Die
US 6,227,135 B1 offenbart
den Einsatz einer geschachtelten Torsionsfeder, um Schiffe an ihrem
Liegeplatz zu stabilisieren, die von diesem durch Wind-, Wellen-
oder Strömungswirkung abgetrieben werden. Die zum Einsatz
kommende Torsionsfeder ist den wirkenden Kräften entsprechend
sehr groß und wird bevorzugt aus Stahl oder Titan gefertigt.
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In
der
DE 1 010 332 wird
der Einsatz einer Torsionsfeder, die aus zwei ineinander angebrachten Hohlkörpern
besteht, beschrieben. In einer Federung eingesetzt, ist an einem
Hohlkörper der Torsionsfeder eine Schwinge angebracht,
durch die die Torsionsfeder gegen das feste Ende eines zweiten Hohlkörpers,
verdreht wird.
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Die
DE 38 19 162 C2 offenbart
den Einsatz einer Torsionsfeder für die Federung eines
Fahrzeugs. Bevorzugt kommt eine Torsionsfeder aus zwei geschachtelten
Hohlkörpern zum Einsatz. In dieser Patentschrift wird auf
die Ausbildung der als Drehfedern genutzten Rohrabschnitte aus faserverstärktem Kunststoff
abgehoben. Bei der Herstellung der genannten Rohrabschnitte sollen
die Faserlagen mit einem Winkel von maximal 45° gegenüber
der Längsachse des Rohrabschnitts ausgebildet sein.
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Dem
bekannten Stand der Technik ist gemein, dass eine aus mehreren verbundenen
Hohlkörpern bestehende Torsionsfeder wie eine, auf die Summe
der Längen aller Hohlkörper erstreckte, Torsionsfeder
wirkt. Kennzeichnend für Torsionsfedern ist, dass sie im Überlastfall,
noch lange bevor das Material seine Bruchgrenze erreicht, spontan
nach Innen einknicken und eine Materialfalte ausbilden, die leicht
spiralförmig in Richtung der Längsachse der Feder
verläuft. Die in der Feder gespeicherte Energie wird in
Verformungsenergie zur Ausbildung dieser Falte umgewandelt und steht
nicht für eine spätere Nutzung zur Verfügung.
Häufig bildet sich die Falte nach der Entspannung der Feder
nicht vollständig zurück bzw. tritt an derselben
Stelle bereits bei geringer Federbeanspruchung wieder auf.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Torsionsfeder vorzuschlagen,
die besonders viel Energie aufnehmen kann, ohne eine Materialfalte auszubilden
und dabei bei kompakter Bauweise ein besonders geringes Gewicht
aufweist, sowie den vorteilhaften Einsatz dieser Feder zur Speicherung von
Bremsenergie für nachfolgende Beschleunigungs- oder Energieumwandlungsprozesse
von Fahrzeugen zu ermöglichen.
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Die
erfindungsgemäße Torsionsfeder zeichnet sich dadurch
aus, dass die röhrenförmigen Hohlkörper
koaxial ineinander eingefügt sind und ein Hohlkörper
an einem Ende mit dem Ende eines inneren bzw. an seinem anderen
Ende mit dem Ende eines äußeren Hohlkörpers
verbunden ist. Ineinander liegende Hohlkörper, d. h. benachbarte
Federlagen, sind über ihren gesamten Umfang zueinander
in dicht beabstandet. Dicht beabstandet wird hier so verstanden,
dass benachbarte Hohlkörper direkt beweglich aufeinander
liegen oder nur durch ein, die gegenseitige Beweglichkeit förderndes
oder dämpfendes Medium und/oder einen Formteil getrennt
sind. Die Beweglichkeit der Federlagen ermöglicht insbesondere Verdrehungen
um die gemeinsame Achse, wobei diese gemeinsame Achse beibehalten
wird. Dies wird bei Torsionsfedern, deren ineinander liegende Hohlkörper
einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, dadurch gelöst,
dass der äußere Durchmesser einer inneren Federlage
nur geringfügig kleiner als der innere Durchmesser einer äußeren
Federlage ist. Der schmale Abstandsraum zwischen zwei Federlagen
enthält lediglich ein Schmier- bzw. Gleitmittel oder eine
Gleitfolie oder ein ähnliches, die Beweglichkeit zweier
Federlagen gegeneinander förderndes Medium. Bevorzugt wird
ein Ring oder Formteil im Bereich der Verbindungen der ineinander
liegenden Hohlkörper zur Stützung eingebracht.
Vorzugsweise zur Dämpfung der Torsionsbewegungen kann zwischen
den Federlagen ein zähes oder reibungserzeugendes Mittel
eingebracht sein, dass die dämpfende Wirkung vermittelt.
Der Raum zwischen den Federlagen ist vorteilhaft partiell mit einem,
die Bewegung fördernden oder dämpfenden Mittel und/oder
einem Formteil ausgefüllt.
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Da
die inneren Hohlkörper (inneren Lagen) einen geringeren
Durchmesser als die äußeren Hohlkörper
(äußere Lagen) haben, weisen sie auch eine stärkere
Krümmung auf. Dies begründet eine geringere Neigung
bei Überlastung eine spontane Materialfalte auszubilden.
Durch die Ausbildung der Torsionsfeder mittels dicht beabstandeter
Hohlkörper, die vorzugsweise keinen nennenswerten Zwischenraum aufweisen,
können somit innere Hohlkörper die äußeren
stützen und stabilisieren und die Gesamtkonstruktion befähigen
mehr Energie aufzunehmen.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung ist in dem innersten Hohlkörper
ein, von der Feder unabhängiger, röhren- oder
stangenförmiger Körper angeordnet, der nahezu
direkt an den innersten Hohlkörper anliegt und diesen stabilisiert.
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Auch
der röhren- oder stangenförmige Körper
innerhalb des innersten Hohlkörpers wird von diesem vorteilhaft
durch eine dünne Schicht eines Schmier- bzw. Gleitmittels
oder eine Gleitfolie oder ein ähnliches, die Beweglichkeit
des innersten Hohlkörpers gegenüber dem röhren-
oder stangenförmige Körper förderndes,
Medium getrennt.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist der innerste Hohlkörper
mit einer besonders erhöhten Wandstärke ausgestattet
oder besteht aus einem anderen, vorzugsweise widerstandsfähigeren
Material, als weiter außen liegende Hohlkörper,
so dass der innerste Hohlkörper die äußeren
Hohlkörper besonders gut stützen kann.
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Vorteilhaft
werden an dem innersten und dem äußersten Hohlkörper
die Verbindungsstellen zur Einleitung der Energie (Angriffspunkte
der Kraft) in die Feder ausgebildet. Dazu sind vorzugsweise Flansche,
Hebelansätze und dergleichen geeignet. Bei der Energieeinleitung
wird ein Angriffspunkt senkrecht zur Federachse, die der gemeinsamen Achse
der ineinander geschachtelten Hohlkörper entspricht, verdreht,
während der andere in seiner Lage festgehalten wird. Es
ist jedoch auch möglich die beiden Angriffspunkte gegeneinander,
senkrecht zur Federachse zu verdrehen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung wird die gesamte Feder aus
faserverstärktem Verbundmaterial hergestellt. Dies ermöglicht
eine bedeutende Gewichtsreduktion gegenüber Federn aus rein
metallischen Werkstoffen. Als Matrixmaterial kommt vorteilhaft Kunststoff,
Metall oder Keramik zum Einsatz. Das Fasermaterial besteht vorzugsweise
aus Glas- oder Kunststoffasern, Kevlarfasern, Metall- oder Textilfasern
oder ähnlichem. Besonders vorteilhaft ist es, die Feder
so herzustellen, dass die Faserlagen an den Verbindungsstellen eines
inneren mit einem äußeren Hohlkörper
nicht unterbrochen werden. Die Faserlagen werden lediglich umgelenkt und
zur Ausbildung des äußeren Hohlkörpers
genutzt. Dies garantiert, dass die Kraftweiterleitung durch den
Federkörper homogen erfolgt und keine bruchgefährdeten
Stellen durch Flanschverbindungen, Schweißnähte
oder sonstige Verbindungsstellen erzeugt werden. Aus diesem Grunde
ist es gleichfalls vorteilhaft, die Verbindungsstellen zur Einleitung der
Energie in die Feder ebenfalls aus faserverstärktem Verbundmaterial
auszubilden und auch hier die kontinuierliche Faserführung
aus der Feder in die Verbindungsstelle beizubehalten. Als Verbindungsstelle
können z. B. Flansche oder Ansatzpunkte für Hebelkonstruktionen
ausgebildet werden. Vorteilhaft wird so die gesamte Federkonstruktion,
aus mehreren ineinander geschachtelten Hohlkörpern, oder
Lagen, sowie den Verbindungsstellen zur Einleitung der Energie ohne
Unterbrechung und/oder in einem Stück hergestellt.
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Vorteilhaft
sind die Faserlagen, die bei der Herstellung des faserverstärkten
Verbundmaterials eingesetzt werden, gegen die Achse der Hohlkörper geneigt.
Als besonders günstig hat sich ein Winkel von ca. 45° erwiesen.
Es ist weiterhin vorteilhaft, mehrere Faserlagen übereinander
auszubilden, wobei die Neigung der Faserlagen zur Längsachse
der Hohlkörper dabei unterschiedlich, vorteilhaft entgegengesetzt,
ist, so dass eine Lage z. B. mit 45° Neigung zur Hohlkörperachse
ausgebildet wird und eine darüber liegende Lage dann –45° aufweist.
Wenn die Torsionsfeder nur in einer bevorzugten Drehrichtung beansprucht
wird, ist es vorteilhaft, alle Faserlagen so auszurichten, dass
sie im jeweiligen Hohlkörper alle oder wenigstens eine
Mehrheit in dieselbe Richtung zur Hohlkörperachse geneigt
sind und so die Feder in die bevorzugte Drehrichtung verstärkt
wird.
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Da
die Stellen an den Hohlkörperenden, an denen diese in den
nächst größeren bzw. kleineren Hohlkörper übergehen,
besonderen Beanspruchungen ausgesetzt sind, sind diese Stellen bevorzugt
mit einer größeren Materialdicke und/oder einer
höheren Zahl von Verstärkungsfasern des faserverstärkten Kunststoffes
ausgeführt.
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Vorteilhaft
sind die Wandstärken der inneren und äußeren
Hohlkörper so variiert, dass jeder Hohlkörper
die gleiche Energie bzw. die für seine Abmaße optimale
Energiemenge aufnehmen kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung variieren die Längen
der Hohlkörper, so dass die von Ihnen gespeicherte Energiemenge
variiert. So sind vorteilhaft innen liegende Hohlkörper
länger als außenliegende oder umgekehrt. Diese
Längenvariierung wird bevorzugt auch mit einer Variation
der Wandstärken der Hohlkörper kombiniert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung bestehen einzelne oder mehrere
Teile der röhrenförmigen, koaxial ineinander eingefügten
Hohlkörper aus unterschiedlichen Materialien.
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Vorteilhaft
erfolgt die Verwendung einer oder mehrerer der beschriebenen Torsionsfedern
in Fahrzeugen, die, z. B. bei Stadtfahrten, häufig abgebremst
und beschleunigt werden. Die bei einer Verzögerung freiwerdende
kinetische Energie wird in eine oder mehrere Torsionsfedern nach
den beschriebenen Ausführungen eingeleitet, um diese Energie
zu speichern. Beim Anfahren kann die Energie genutzt werden, um
den Beschleunigungsvorgang auszulösen oder zumindest zu unterstützen.
Die Energieübertragung von bzw. zu den Antriebsrädern kann
beispielsweise durch ein geeignetes Kupplungssystem erfolgen. Weiterhin
kann die in einer oder mehreren Torsionsfedern gespeicherte Energie genutzt
werden, um elektrische Energie bereitzustellen. Dies kann z. B.
im Winterbetrieb hilfreich sein, wenn die Fahrzeugbatterie ausgefallen
ist und keinen Strom für den Anlasser eines Kraftfahrzeugs
liefert.
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Vorteilhaft
lassen sich mehrere Torsionsfedern gleicher oder unterschiedlicher
Ausbildung hintereinander oder parallel anordnen. Bei einer parallelen
Anordnung sind die Drehrichtungen von zwei Federn vorteilhaft entgegengesetzt
gerichtet, damit sich die Momente, die auf die gemeinsame tragende
Konstruktion wirken, weitgehend gegeneinander aufheben.
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Wenn
mindestens zwei der beschriebenen Torsionsfedern hintereinander
angeordnet werden, können die beiden Federn so verbunden
sein, dass sie wie eine längere Torsionsfeder wirken. Von
Vorteil ist, dass die Gefahr der Ausbildung einer Materialfalte
reduziert gegenüber einer gleichlangen, einteiligen Torsionsfeder
ist, weil die einzelnen Hohlkörper kürzer sind
und so weniger leicht zum Versagen neigen. Darüber hinaus
tragen die Endstücke, an denen eine Federlage in eine darüber
bzw. darunter liegende Lage übergeht, zur Stabilisierung
bei. Vorteilhaft werden die beiden Federn durch ein Verbindungselement
verbunden, dass in einem eigenen Lager geführt wird und
die Konstruktion weiter stabilisiert.
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Die
gesamte Feder wird bevorzugt aus faserverstärktem Verbundwerkstoff
hergestellt, indem auf einen Grundkörper oder Kern eine
oder mehrere Federlagen hergestellt werden, die jeweils aus einer oder
mehreren Faserlagen bestehen, die geflochten werden. Anschließend
werden die Faserlagen mit einem geeigneten Matrixmaterial, bevorzugt
duroplastischer bzw. thermoplastischer Kunststoff, Metall oder Keramik
getränkt und dieses dann ausgehärtet. Vorteilhaft
erfolgt die Herstellung der mehreren Lagen der Feder, indem die
innerste Lage auf einen später als Stütz- oder
Trägerkörper dienenden Kern aufgeflochten wird.
Dabei können eine oder mehrere Faserlagen ausgebildet werden.
Am Ende der innersten Faserlage wird ein Trennmittel, z. B. Teflonfolie, Gummimembran,
Schaumkern etc. auf die fertig gefochtene innere Lage aufgebracht
und durch Umkehr der Flechtrichtung das Textil umgestülpt,
so dass die nächste Lage ohne Unterbrechung der Fasern
geflochten wird. Mit der folgenden Faserlage wird analog verfahren.
Auf diese Weise wird ein unterbrechungsfreier Verlauf der Fasern
erreicht. In den Stülpbereich können vorteilhaft
feste Stützmittel zur Fixierung der Stülpung eingebracht
werden. Diese festen Stützmittel verbinden sich dabei vorteilhaft
stoff- form- oder kraftschlüssig mit dem Fasermaterial.
Die Fasern legen sich auf dem Grundkörper bzw. den unteren
Lagen, respektive Trennmitteln stets abhängig von der zur Verfügung
stehenden Fläche ab. Einer Abnahme der Faserdichte in den äußeren
Lagen kann durch die Veränderung des Winkels der Fasern zur
Längsachse entgegenwirkt werden. Das Trennmittel der Faserlagen
kann mit dem Gleitmittel identisch sein. Auch eventuell zwischen
die Faserlagen einzubringende Bauteile (z. B. Ringe) oder Gleit- bzw.
Dämpfungsmittel werden bevorzugt schon während
der Herstellung der Feder in diese eingebracht. Weiterhin wird bevorzugt
nach dem Härten des Matrixmaterials das Trennmittel ausgewaschen
oder auf sonstige Weise entfernt und durch ein Gleit- oder Dämpfungsmittel
ersetzt. Auch der Einbau von Bauteilen kann nach der Fertigstellung
der Federlagen (Härten des Matrixmaterials) erfolgen.
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Das
Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Torsionsfeder sowie konstruktive Ausführungsformen sind
in den Abbildungen dargestellt. Die Abbildungen dienen nur der Erläuterung und
wirken nicht beschränkend.
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1a und 1b zeigen
ineinander geschachtelte röhrenförmige Hohlkörper
(21), die Federlagen (21) ausbilden. Zur besseren
Darstellung sind die Abstände (22) zwischen den
jeweiligen Federlagen vergrößert gezeichnet. Die
Hohlkörper sind so angeordnet, dass sie eine gemeinsame
Achse (25) aufweisen.
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2 stellt
dar, wie zwei benachbarte Federlagen (22) an einem Ende
(24) jeweils paarweise miteinander verbunden sind. An dem
anderen Ende (hier nicht dargestellt), existiert eine Verbindung
zu den jeweils anderen Federlagen, so dass im Schnitt eine mäanderförmige
Figur entstehen würde. Der innere Hohlraum (23)
der Feder ist in bevorzugten Ausführungsformen mit einem
Stützkörper (hier nicht dargestellt) versehen.
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3 verdeutlicht,
wie zwei röhrenförmige Hohlkörper (21)
ineinander geschachtelt sind.
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4 illustriert
das Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen
Torsionsfeder aus faserverstärktem Verbundwerkstoff. Das
Fasergeflecht wird in einer Flechtanlage (3) bereitgestellt,
wobei die Fasern auf Faserspulen (4) bevorratet werden.
Die Faserlage (2) wird auf einem Grundkörper bzw. Formkern
(1) geflochten. Dazu werden die Fasern im Faserablagebereich
(5) aufgebracht.
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5 zeigt,
wie der Stülpbereich (6) entsteht, indem die Flechtrichtung
umgekehrt wird. Die untere Lage wurde in Richtung zum Stülpbereich
hergestellt. Dann wird das Trennmittel (7) aufgebracht und
die Flechtrichtung umgekehrt. Die Flechtrichtung bewegt sich in
der Darstellung nun vom Stülpbereich weg.
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6 stellt
das Entstehen einer geschachtelten Struktur dar, indem die durch
Trennmittel (7) getrennten Federlagen über Stülpbereiche
(6) verbunden sind.
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7 zeigt
eine erfindungsgemäße dreilagige Torsionsfeder,
bei der auch die Verbindungsstellen (11) zur Einleitung
der Energie in die Torsionsfeder ausgebildet sind. Erkennbar existiert
ein durchgehender Faserverlauf (8) von einer Verbindungsstelle
(11) zur Einleitung der Energie in die Torsionsfeder durch
die Federlagen und die Stülpbereiche (6) hindurch
zur anderen Verbindungsstelle (11) zur Einleitung der Energie
in die Torsionsfeder. Die Federlagen sind durch ein Trennmittel
(7) voneinander separiert.
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8a bis 8d zeigen
vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Stülpbereiche (6).
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8a stellt
einen Stülpbereich (6) mit durchgehendem Faserverlauf
(8) dar, wobei die Federlagen durch das Trennmittel (7)
voneinander separiert sind.
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8b zeigt
einen verstärkten Stülpbereich (6), der
dadurch entsteht, dass die Faserlagen in einem kleinen Abschnitt
(a) des Stülpbereichs (6) ohne Trennmittel durch
Vorwärts- und Rückwärtsflechten direkt
aufeinandergelegt werden. Durch diese Ausführungsform werden
vorteilhaft Spannungsüberhöhungen im Stülpbereich
(6) abgeleitet.
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8c stellt
einen mit Fasern aufgefüllten verstärkten Stülpbereich
(6) dar.
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8d zeigt
ein festes Stützmittel (9), in Form eines Ringes
im Stülpbereich (6) zur besonderen Verstärkung
dieses Bereichs.
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9 zeigt
eine dreilagige Torsionsfeder, bei der ein Stützkörper
(10) die innerste Federlage stabilisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formkern
- 2
- Abgelegte
Faserschicht (Flechtlage)
- 3
- Flechtanlage
- 4
- Faserspulen
- 5
- Faserablagebereich
- 6
- Stülpbereich
- 7
- Trennmittel
- 8
- Faserverlauf
- 9
- festes
Stützmittel
- 10
- Stützkörper
für innere Faserlage
- 11
- Verbindungsstellen
zur Einleitung der Energie in die Torsionsfeder
- 21
- röhrenförmige
Hohlkörper, die Federlagen bilden
- 22
- Zwischenräume
zwischen den Federlagen
- 23
- Hohlraum
im innersten röhrenförmigen Hohlkörper
- 24
- Verbindung
an den Enden zweier benachbarter Federlagen
- 25
- gemeinsame
Achse der Hohlkörper
- a
- Abschnitt
des Stülpbereichs der durch Vorwärts-/Rückwärtsflechten
entsteht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6227135
B1 [0002]
- - DE 1010332 [0003]
- - DE 3819162 C2 [0004]
