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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Druckfeder aus um eine Federachse
gewundenem Federdraht. Insbesondere bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf eine solche Druckfeder, die hohen dynamischen Beanspruchungen
ausgesetzt ist und dabei auch bis auf Block zusammengedrückt werden
kann. Die Druckfeder kann aber genauso zur Abstützung statischer Lasten Verwendung
finden.
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Um
die Belastung des Federdrahts bei einer Druckfeder möglichst
gleichmäßig über die
Länge der
Druckfeder zu verteilen, weist eine Druckfeder, auf die sich die
vorliegende Erfindung bezieht, typischerweise einen zwischen ihren
Federenden möglichst
konstanten Außendurchmesser
und auch eine möglichst
konstante Steigung auf. Entsprechend kann eine solche Druckfeder
im Wesentlichen zylindrisch sein. Sie kann aber auch eine gekrümmte Grundform
mit gekrümmter
Federachse aufweisen. Grundsätzlich
ist die vorliegende Erfindung aber auch auf Druckfedern mit nicht
konstantem Außendurchmesser
und/oder nicht konstanter Steigung, wieb beispielsweise auf konische
federn anwendbar.
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STAND DER TECHNIK
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Eine
mit konstanter Steigung aus Federdraht gewundene Druckfeder, der
an den Federenden stumpf endet, weist an einer senkrecht zu ihrer
Federachse ausgerichteten Abstützfläche nur
einen einzigen Anlagepunkt am Ende des Federdrahts auf. Hierdurch
besteht eine hohe Gefahr von Beschädigungen des die Abstützfläche aufweisenden
Abstützelements
und der Feder an ihrem Federende. Um diese Beschädigungsgefahren zu reduzieren
ist es bekannt, die Steigung des Federdrahts an den Federenden zu
reduzieren, im Extremfall den Federdraht an den Federenden auf Block
zu winden. Auch hierdurch wird das Grundproblem der nur punktuellen
Anlage der Druckfeder über
das Ende des Federdrahts an einer senkrecht zu ihrer Federachse
ausgerichteten Abstützfläche nicht
grundsätzliche
beseitigt, insbesondere wenn der Durchmesser des Federdrahts verglichen
mit dem Durchmesser der Feder vergleichsweise groß ist.
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Es
ist daher üblich,
den Federdraht an den Enden einer Druckfeder nicht nur mit geringerer
Steigung zu winden, sondern zusätzlich
senkrecht zu der Federachse abzuschleifen. Typischerweise erfolgt der
Abschliff so, dass am Ende des Federdrahts noch ein Viertel seines
ursprünglichen
Durchmessers verbleibt, was bei einem auf Block gewickelten Federende
einer Schnittfläche
entspricht, die sich über
einen Bogen von 270° um
die Federachse erstreckt. In speziellen Anwendungsfällen wird
der Umfang der Anschlifffläche
um die Federachse noch weiter erhöht, um die senkrecht zu der
Federachse verlaufende Aufstandfläche der Druckfeder zu vergrößern. Hierdurch
wird der verbleibende Querschnitt des Federdrahts an seinem Ende
sehr dünn,
was mit der Gefahr von Endspitzenbrüchen verbunden ist.
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Zudem
können
nur zylindrische Druckfedern mit vertretbarem Aufwand an ihren Federenden
plangeschliffen werden. Bogenfedern mit plangeschliffenen Federenden
müssen
daher aus zunächst
zylindrisch gewundenen und dann an ihren Federenden plangeschliffenen
Vorformen hergestellt werden.
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Grundsätzlich können auch
Federteller mit wendelförmigen
Kraftübertragungsflächen für den Federdraht
an den Federenden einer Spiralfeder vorgesehen werden. Diese sind
jedoch ihrerseits aufwändig
in der Herstellung, da sie hohen dynamischen Belastungen Stand zu
halten haben, und müssen
in aufwändiger
Weise an den Federenden der Spiralfeder angebracht werden.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckfeder aus um eine
Federachse gewundenem Federdraht aufzuzeigen, bei der weder ein
Abschleifen der Federenden noch ein Federteller mit wendelförmiger Kraftübertragungsfläche für den Federdraht
erforderlich ist, um eine zumindest linienförmige ausgedehnte Abstützung an
einer senkrecht zu der Federachse ausgerichteten Abstützfläche zu erreichen.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Druckfeder mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 oder mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
der neuen Druckfedern sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
eine Ausführungsform
der neuen Druckfeder weist mindestens ein Federende auf, an dem ein
Außendurchmesser
einer Endwindung des Federdrahts gegenüber einer angrenzenden Windung und
die Steigung des Federdrahts in Richtung der Federachse soweit reduziert
sind, dass die Endwindung bei unbelasteter Druckfeder über einen
Bogen von mindestens 120°,
vorzugsweise über
einen Bogen von mindestens 180°,
mehr bevorzugt über
einen Bogen von mindestens 240° und
am meisten bevorzugt über
einen Bogen von mindestens 300° um die
Federachse zu mindestens einem Viertel des Querschnitts des Federdrahts
innerhalb der angrenzenden Windung verläuft. Vorzugsweise sind beide Federenden
der neuen Druckfeder in dieser Weise ausgebildet.
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Durch
den verringerten Außendurchmesser der
Endwindung unterliegt diese nicht mehr dem Zwang einer Mindeststeigung
von der Größe des Durchmessers
des Federdrahts. Zudem wird die Endwindung bei auf Block zusammengedrückter Druckfeder
von der angrenzenden Windung nicht mehr notwendiger Weise auf eine
wendelförmige
Deformation hin beaufschlagt. Vielmehr kann sie sogar derart an
dem Federdraht der angrenzenden Windung anliegen oder sich an diesen
anlegen, dass sie bei Last auf der Druckfeder in einer senkrecht
zu der Federachse verlaufenden Ebene abgestützt wird.
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Konkret
kann sich die Endwindung zumindest bei auf Block zusammengedrückter, vorzugsweise
bereits bei mit einer Grundlast belasteter und am meisten bevorzugt
bereits bei unbelasteter Druckfeder über einen Bogen von mindestens
120°, vorzugsweise über einen
Bogen von mindestens 180°,
weiter bevorzugt über
einen Bogen von mindestens 240° und
am meisten bevorzugt über
einen Bogen von mindestens 300° um
die Federachse unter einem spitzen Winkel zu der Federachse von
innen an der angrenzenden Windung bzw. deren Federdraht abstützen. Wenn
sich die Endwindung zumindest bereits bei unbelasteter Druckfeder
an der angrenzenden Windung abstützt,
kann sie daran unter Vorspannung anliegen.
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Die
Steigung des Federdrahts in der Endwindung ist bei der neuen Druckfeder
regelmäßig kleiner als
50%, vorzugsweise kleiner als 40%, weiter bevorzugt kleiner als
30%, noch weiter bevorzugt kleiner als 20% und am meisten bevorzugt
kleiner als 10% des Durchmessers des Federdrahts. Gegen null kann
aber muss die Steigung des Federdrahts in der Endwindung nicht gehen,
da der Federdraht der Endwindung gegenüber kleinen Auslenkungen in
Richtung der Federachse weich abgestützt sein kann, so dass er sich
bereits bei einer geringen Grundlast auf die Druckfeder an eine
senkrecht zu der Federachse verlaufende Abstützfläche anlegt, selbst wenn er eine
Steigung gegenüber
der Federachse aufweist.
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Bei
der neuen Druckfeder kann sich die Endwindung zumindest bei auf
Block zusammengedrückter,
vorzugsweise bereits bei mit einer Grundlast belasteter und am meisten
bevorzugt bereits bei unbelasteter Druckfeder über einen Bogen von mindestens
180°, vorzugsweise über einen
Bogen von mindestens 240°,
weiter bevorzugt über
einen Bogen von mindestens 300° und
am meisten bevorzugt über einen
Bogen von mindestens 360° um
die Federachse an eine senkrecht zu der Federachse ausgerichtete
Abstützfläche anlegen.
Besonders bevorzugt liegt die Endwindung über denselben Bereich des Federdrahts
an der Abstützfläche an,
in dem sie sich an der angrenzenden Windung abstützt. Zumindest ist die Überschneidung
dieser Bereiche möglichst
groß.
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Bei
der neuen Druckfeder handelt es sich insbesondere um eine solche,
bei der der Durchmesser des Federdrahts vergleichsweise groß hinsichtlich
des Durchmessers der Feder ist. Konkret beträgt der Durchmesser des Federdrahts
typischerweise mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 25%, weiter
bevorzugt mindestens 30% und am meisten bevorzugt mindestens 33%
des Außenradius
der angrenzenden Windung. Hierdurch ist die Endwindung in radialer
Richtung zur Federachse hin sehr steif und wird entsprechend von
der angrenzenden Windung, an der sie sich abstützt, unter Last auf die neue Druckfeder
nicht radial zusammengedrückt.
Zudem überspannt
die Endwindung als Folge der Durchmesserverhältnisse einen relativ großen Anteil
des freien Innenraums der angrenzenden Windung, von typischerweise
mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30%, weiter bevorzugt von
mindestens 40% und am meisten bevorzugt von mindestens 50%.
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Der
Federdraht kann bei der neuen Druckfeder über seine gesamte Länge einen
konstanten Querschnitt aufweisen, bis er an den Federenden stumpf
endet. Dabei kann der Federdraht einen in Richtung der Federachse
abgeflachten Querschnitt aufweisen, der das Blockmaß der Druckfeder
insgesamt reduziert und die wirksame Anlagefläche der Endwindung der Druckfeder
an ihrer Abstützfläche erhöht. Die
grundsätzlichen
Vorteile eines Federdrahts mit in Richtung der Federachse abgeflachtem Querschnitt
bei einer Druckfeder sind bekannt.
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Besonders
bevorzugte Ausführungsformen der
neuen Druckfeder weisen eine gekrümmte Federachse auf. Derartige
Druckfedern können
krumm gewunden werden. Nach dem Winden unter gleichzeitiger oder
nachträglicher
Ausbildung der Federenden werden die Druckfedern nur noch in der
grundsätzlich üblichen
Weise thermisch behandelt. Das Planschleifen der Federenden entfällt.
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In
der neuen Druckfeder kann auch eine Innenfeder angeordnet sein.
Diese Innenfeder wird dabei durch die erfindungsgemäße Endwindung
bzw. die erfindungsgemäßen Endwindungen
der neuen Druckfeder gefangen. Sie kann sich zudem an den Endwindungen
der Druckfeder abstützen,
wenn sie auf Druck belastet wird. Bei Druckfedern mit Innenfedern
ist es bevorzugt, wenn diese eine definierte Lage innerhalb der
Druckfeder einnehmen, um beispielsweise eine definierte zweistufige
Federkennlinie bereitzustellen. Dazu kann ein Ende der Innenfeder
mit einem Federnapf an der Endwindung der neuen Druckfeder fixiert
sein. Auch weitere von Druckfedern mit Innenfedern bekannte Details,
die dem Fachmann grundsätzlich
bekannt sind, können
bei der neuen Druckfeder verwirklicht werden, wie beispielsweise
eine gegenläufige
Steigung der Innenfeder zu der sie umschließenden Druckfeder.
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Bei
der anderen Ausführungsform
der neuen Druckfeder aus um eine Federachse gewundenem Federdraht
ist der Innendurchmesser der Endwindung des Federdrahts an mindestens
einem Federende gegenüber
der angrenzenden Windung so weit erhöht und ist eine Steigung des
Federdrahts in Richtung der Federachse so weit reduziert, dass die Endwindung
bei unbelasteter Druckfeder über
einen Bogen von mindestens 120° um
die Federachse zu mindestens einem Viertel des Querschnitts des
Federdrahts um die angrenzende Windung herum verläuft. Bei
dieser Ausführungsform
der neuen Druckfeder ist der Außendurchmesser
an den Federenden erweitert, so dass gegenüber einer zylindrischen Feder
mit abgeschliffenen Enden ein größerer radialer Platzbedarf
besteht. Weiterhin ist die Endwindung bei dieser Ausführungsform
der neuen Druckfeder in radialer Richtung weniger steif und entsprechend
weniger steif an der angrenzenden Windung abgestützt als bei der zuvor detailliert
beschriebenen Ausführungsform.
Bis auf diese Unterschiede trifft aber die vollständige Beschreibung
der zuerst beschriebenen Ausführungsform
der neuen Druckfeder, einschließlich
deren Vorteile und deren bevorzugten Ausführungsformen, auch auf die
zweite Ausführungsform der
neuen Druckfeder zu. So kann sie auch als Bogenfeder ausgebildet
und mit einer Innenfeder versehen sein.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Federendes einer ersten Ausführungsform
der neuen Druckfeder.
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2 zeigt
das Federende gemäß 1 in vergrößerter Darstellung,
wobei ein Teil der Endwindung und der angrenzenden Windung des Federdrahts
weggeschnitten sind.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf das Federende gemäß den 1 und 2 in
Richtung der Federachse.
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4 zeigt
ein Federende einer Bogenfeder mit gekrümmter Federachse, als weitere
Ausführungsform
der neuen Druckfeder; und
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5 zeigt
eine Ausführungsform
der neuen Druckfeder mit Innenfeder, wobei in der Seitenansicht
der Federdraht der Druckfeder vor der Innenfeder teilweise weggeschnitten
ist.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die
Druckfeder 1, deren eines Federende 2 in den 1 bis 3 dargestellt
ist, ist im Wesentlichen zylinderförmig, d. h. sie weist einen
konstanten Außendurchmesser 3 längs ihrer
Federachse 4 auf. Dabei ist die Federachse 4 hier
gerade. Weiterhin ist eine Steigung 5, in der ein Federdraht 6 zur
Ausbildung der Druckfeder 1 in Windungen 7 um
die Federachse 4 gewunden ist, längs der Federachse 4 im Wesentlichen
konstant. An dem Federende 2 jedoch ist eine Endwindung 8 vorgesehen,
deren Außendurchmesser
gegenüber
dem Außendurchmesser 3 und
auch dem Außendurchmesser
einer unmittelbar angrenzenden Windung 9 reduziert ist,
der seinerseits bereits etwas reduziert ist, um einen stetigen Verlauf
des Außendurchmessers
zu realisieren. Gleichzeitig ist die Steigung der Endwindung 8 stark reduziert,
so dass sich die Endwindung 8 bereits bei der dargestellten
unbelasteten Druckfeder 1 zu einem Teil des Querschnitts
des Federdrahts 6 innerhalb der angrenzenden Windung 9 befindet.
Dabei liegt die Endwindung 8 jedoch nicht im freien Querschnitt
der angrenzenden Windung 9, sondern stützt sich an dieser über einen
großen
Bogen um die Federachse 4 unter einem spitzen Winkel 10 zu
der Federachse 4 ab. Aufgrund des vergleichsweise großen Durchmessers 11 des
Federdrahts 6 im Vergleich zu dem Außendurchmesser 3 ist
sowohl die Endwindung 8 als auch die angrenzende Windung 9 in
radialer Richtung sehr steif, so dass die Abstützung der Windungen 8 und 9 aneinander
tragfähig
ist, bis die Druckfeder 1 auf Block und auch noch darüber hinaus
belastet wird. An eine senkrecht zu der Federachse 4 ausgerichtete, in 1 schematisch
angedeutete Abstützfläche 12 legt
sich die Endwindung 8 bei Belastung der hier noch unbelastet
dargestellten Druckfeder 6 mit einer Grundlast über einen
großen Bogen
um die Federachse 4 herum an und sorgt so für eine Verteilung
der Druckkräfte
der Druckfeder 6 über
der Abstützfläche 12.
Dies wird bei der Druckfeder 6 erreicht, obwohl der Durchmesser 11 bis
zu dem Ende 13 des Federdrahts unverändert durchläuft.
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4 zeigt
das Federende 2 einer Bogenfeder 14 mit gekrümmter Federachse 4 als
weitere Ausführungsform
der Druckfeder 1. Trotz der gekrümmten Federachse 4 ist
der Außendurchmesser 3 der
Bogenfeder 14 im Wesentlichen konstant, ebenso wie die
Steigung 5, wobei allerdings die Steigung 5' am Innenradius
der Bogenfeder 14 jeweils etwas kleiner ist als die Steigung 5'' am Außenradius der Bogenfeder. Bogenfedern 14 werden
bekanntermaßen
in der Automobiltechnik verwendet. Bei der Bogenfeder 14 liegt
das freie Ende 13 des Federdrahts 6 auf der dem
Außenradius
der Bogenfeder 14 zugekehrten Seite der Federachse 4 und
erhöht
damit den Anteil des federnden Materials auf dieser Seite der Bogenfeder 14.
Die grundsätzliche
Ausbildung des Federendes 2 der Bogenfeder 14 gemäß 4 entspricht
dem Federende 2 bei der in den 1 bis 3 gezeigten
Druckfeder.
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Bei
der in 5 gezeigten Druckfeder 1, die als solche
identisch mit denjenigen in den 1 bis 3 ist,
ist zusätzlich
eine Innenfeder 15 in deren freien Inneren vorgesehen,
wobei die Innenfeder 15 durch die eingezogene Endwindung 8 in
der Druckfeder 1 gefangen ist und sich bei Belastung der
Druckfeder 1 in Richtung der Federachse 4 an der
Endwindung 8 abstützt.
Die Innenfeder 15 ist aus Federdraht 16 etwas
geringeren Durchmessers 17 mit der Druckfeder 1 entgegen
gesetzter Steigung gewunden. Sie kann mit ihrem hier nicht sichtbaren
Federende an dem Federende 2 der Druckfeder 1 fixiert
sein, um auch bei geringerer Länge
der Innenfeder 15 als der Druckfeder 1 eine definierte
Lage in der Druckfeder 1 zu haben. Unter diesen Bedingungen
wird mit der Innenfeder 15 eine zweistufige Federkennlinie
mit der Federanordnung gemäß 5 erreicht,
deren zweite Stufe beginnt, wenn beim Zusammendrücken der Druckfeder 1 auch
die Innenfeder 15 komprimiert wird.
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Das
in den 1 bis 5 jeweils nicht dargestellte
zweite Federende der jeweiligen Druckfeder 1 kann genauso
ausgebildet sein wie das dargestellte Federende 2, was
bevorzugt ist.
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Statt
der Endwindung 8 mit neben reduzierter Steigung auch reduziertem
Außendurchmesser kann
eine Endwindung der Druckfeder 1 auch nur eine reduzierte
Steigung und einen statt des reduzierten Außendurchmessers vergrößerten Innendurchmesser
aufweisen, so dass sich der Federdraht 6 im Bereich der
Endwindung 8 von außen
unter dem spitzen Winkel zu der Federachse 4 an der angrenzenden
Windung 9 abstützt.
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- 1
- Druckfeder
- 2
- Federende
- 3
- Außendurchmesser
- 4
- Federachse
- 5
- Steigung
- 6
- Federdraht
- 7
- Windung
- 8
- Endwindung
- 9
- angrenzende
Windung
- 10
- spitzer
Winkel
- 11
- Durchmesser
- 12
- Abstützfläche
- 13
- freies
Ende
- 14
- Bogenfeder
- 15
- Innenfeder
- 16
- Federdraht
- 17
- Durchmesser