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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Federeinrichtung sowie ein Verfahren zur Aufbringung einer im Wesentlichen konstanten Kraft auf einen Gegenstand, und zwar unabhängig von der Position der Krafteinwirkung. Mechanische Federeinrichtungen sind hinlänglich bekannt. Sie umfassen ein oder mehrere Federelemente, die auf Grund Ihrer elastischen Eigenschaften eine Federwirkung herbeiführen. Diese Federwirkung ist im Wesentlichen von der Federrate der Federelemente abhängig. Große Federraten bewirken eine relative harte Federung und kleine Federraten
bewirken eine relativ weiche Federung.
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Je nach Anwendungsfall ist eine unterschiedliche Art der Federung zu bevorzugen. Bei gering einzustellenden Federwegen wird deshalb üblicherweise eine harte Feder genutzt und in Situationen, in denen der Federweg nicht im Vordergrund steht, sondern die von der Federeinrichtung bewirkten Gegenkräfte, eine weichere Feder.
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Alternative Einrichtungen zur Aufbringung einer Federkraft sind hydraulische oder pneumatische Systeme. Diese sind jedoch sehr kostenintensiv und reagieren sensibel auf Temperaturveränderungen. Zur Kompensierung der Temperaturabhängigkeit ist ein relativ hoher gerätetechnischer Aufwand zu betreiben, um geforderte Parameter mit entsprechender Genauigkeit einzuhalten.
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Oftmals werden Federeinrichtungen auch mit Getrieben in Wirkverbindung angewendet, wie z. B. in der
DE 10 2010 038 812 A1 offenbart. Dort werden zwei Koppelgetriebe zur Verfügung gestellt, wobei in Wirkungsrichtung des nach Art einer Kniehebelpresse funktionierenden Koppelgetriebes in Reihe geschaltet eine Federeinrichtung vorgesehen ist, die bei Streckung des Koppelgetriebes mit einer dadurch bedingten Druckkraft-Zunahme einfedert und eine entsprechende Gegenkraft einerseits auf das Koppelgetriebe und andererseits auf einen zu spannenden Gegenstand aufbringt.
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Federn bzw. aus mehreren Federn zusammengesetzte Federeinheiten können dabei in völlig unterschiedlich wirkenden Systemen zusammenarbeiten. Der
DE 40 36 956 A1 ist ein Federdruck- und Zugsystem entnehmbar, welches durch die parallele Anordnung mehrerer Zug- und Druckfedern die Möglichkeit realisiert, dass die druckbeaufschlagten Teile in zwei Dimensionen verschoben werden können, ohne dass sich die Federandruckkraft ändert.
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Aus der
DE 10 2011 015 798 A1 ist eine Vorrichtung zur Übertragung oder Endkopplung von mechanischen Schwingungen bekannt. Dabei wirkt ein zwischen zwei Komponenten eingespanntes Koppelelement federnd sowie schwingungstilgend.
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Ein weiteres Federsystem ist beispielhaft der Vorrichtung zum Dämpfen der Schwingung eines schwingfähig gelagerten Aggregates der
EP 1 201 959 A2 entnehmbar, bei der ein Aggregat auf federnden Gummipuffern aufgestellt ist. Zur Dämpfung der Schwingungen ist ein Feder-Masse-System vorgesehen. Ein aus einer Federeinheit und einem Koppelgetriebe zusammengesetzter Mechanismus ist der
DE 44 12 698 A1 entnehmbar, bei der das Koppelgetriebe sowie die angeordnete Druckfeder in einem Punkt an einem zu betätigenden Hebelmechanismus zusammenwirken. Bei Streckung von Kurbel und Koppel ist die Druckfeder innerhalb der ihr gesetzten Grenzen maximal entspannt. Dieses Getriebe hat jedoch mehr als einen Freiheitsgrad, so dass die Positionen der einzelnen Getriebeglieder nur in Kombination mit den Kräften eines angreifenden Hydraulikzylinders sowie eines angreifenden Hebelelementes definiert sind. Dieses Getriebe führt im Andruckpunkt am Hebelelement eine aus Rotation und Translation zusammengesetzte Bewegung aus. Eine weitere Federeinrichtung zum Abstützen einer über einen begrenzten Bereich bewegbaren Last ist der
DE 68 27 32 entnehmbar, bei der verschiedene Federn eingesetzt werden, deren Wirkungen in einem bestimmten Bereich einander entgegengesetzt sind. Dadurch lässt sich eine sehr weiche Federung und/oder die Überwindung von Totpunktlagen realisieren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Federeinrichtung sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher, zuverlässiger und einstellbarer Weise federwirkungsbedingt wirkpositionsunabhängig eine im Wesentlichen konstante Kraft aufbringbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Federeinrichtung nach Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbringung einer im Wesentlichen konstanten Kraft nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Federeinrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 angegeben.
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Die erfindungsgemäße Federeinrichtung zur Aufbringung einer Federwirkung umfasst ein Koppelgetriebe, welches wenigstens die Getriebeglieder Gestell, Kurbel, Koppel und Schieber aufweist. Das Koppelgetriebe hat ein Getriebefreiheitsgrad von f = 1. Weiter umfasst die erfindungsgemäße Federeinrichtung eine Federeinheit, die auf das Koppelgetriebe wirkt, wobei durch die Geometrie und/oder die Anordnung der Getriebeglieder des Koppelgetriebes die Wirkung der Federrate der Federeinheit und damit die Kraftwirkung der Federeinheit zumindest teilweise kompensierbar oder kompensiert ist.
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Das Koppelgetriebe weist zwei Kurbeln sowie zwei Koppel auf, wobei die beiden Kurbeln am Gestell drehgelagert sind und die beiden Koppel am Schieber drehgelagert sind. Die Federkraft der Federeinheit wirkt auf zwei jeweils zwischen einer Kurbel und einer Koppel angeordnete Drehgelenke und weist mehrere miteinander verschaltete Einzelfedern auf, die als Druckfedern in Parallelschaltung angeordnet sind.
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Auch die Koppeln sind an den Kurbeln drehgelagert. Somit weist das Koppelgetriebe sechs Glieder auf, wobei diese achs-symmetrisch angeordnet sein. Es kann dabei sein, dass die Kurbeln und die Koppel jeweils in einem gemeinsamen Drehlager gelagert sind.
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Die Federkraft der Federeinheit wirkt auf zwei jeweils zwischen einer Kurbel und einer Koppel angeordnete Drehgelenke. Dabei sind auch unwesentliche Abweichungen von der Position des Drehgelenkes als Krafteinleitungspunkt akzeptabel.
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Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Federeinheit durch eine Druckfedereinheit ausgebildet ist, die sich einseitig an einem ersten Drehgelenk zwischen einer ersten Kurbel und einer ersten Koppel abstützt und andererseits an einem Zugelement abstützt, das mechanisch mit einem zweiten Drehgelenk zwischen einer zweiten Kurbel und einer zweiten Koppel verbunden ist, so dass die von der Druckfedereinheit realisierte Druckkraft als zwei einander entgegen gerichtete Vektoren auf die beiden Drehgelenke aufgebracht ist.
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Eine Kurbel ist dabei ein am Gestell schwenkbar angeordnetes Getriebeglied. Eine Koppel ist ein an der Kurbel schwenkbar angeordnetes Getriebeglied, welches nicht direkt mit dem Gestell verbunden ist. Ein Schieber ist ein am bzw. im Gestell verschiebbares Getriebeglied. Das Gestell, die Kurbel, die Koppel und der Schieber sind miteinander mittels Drehgelenken verbunden. Die Wirkung der Federrate ist, dass bei zunehmender Federverformung die von der Feder bzw. Federeinheit aufgebrachte Kraft bzw. ein von ihr aufgebrachtes Moment größer wird. Der Getriebefreiheitsgrad f = 1 bedeutet, dass z.B. lediglich eine translatorische Schiebebewegung des Schiebers möglich ist. Durch die Kompensation der Wirkung der Federrate der Federeinheit lässt sich eine sehr flache Federkennlinie der gesamten Federeinrichtung bis hin zu einer waagerechten Federkennlinie einstellen, so dass im Wesentlichen unabhängig von der Einfederung der Federeinrichtung von dieser eine konstante Kraft oder auch – in Abhängigkeit vom jeweiligen Federweg – nur eine geringfügig stärkere oder schwächere Kraft aufbringbar ist. Eine derartige, im Wesentlichen anstiegslose Federkennlinie der Federeinrichtung ist insbesondere bei Prozessen vorteilhaft anzuwenden, bei denen eine konstante Kraft unabhängig von der Position der Federkrafteinleitung benötigt wird, wie z. B. beim Andrücken von Bandmaterial zwecks Aufwickeln des Bandes auf eine Rolle, bei dem der Durchmesser der hergestellten Rolle stets wächst, die Andruckkraft aber immer gleichbleiben soll. Ähnliche Anforderungen können bei bestimmten Prüfprozessen bestehen, bei denen ebenfalls eine stets gleiche Kraft unabhängig vom Ort der Krafteinleitung bzw. Kraftbeaufschlagung aufzubringen ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Koppelgetriebe zwangläufig ist. Das heißt, dass die Position eines jeden Getriebegliedes in jeder Getriebestellung eindeutig bestimmt ist.
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Die Federeinheit kann aus mehreren miteinander verschalteten Einzelfedern aufgebaut sein. Insbesondere bei Hintereinanderschaltung mehrerer Federn mit unterschiedlicher Federrate, gegebenenfalls auch in Kombination mit Parallel-Schaltung, lässt sich eine geeignete Federrate der Federeinrichtung realisieren, deren Wirkung durch die Geometrie und/oder Anordnung der Getriebeglieder des Koppelgetriebes in weiten Bereichen der Bewegungsbahnen der einzelnen Getriebeglieder des Koppelgetriebes kompensierbar ist.
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Die Federeinheit kann alternativ zur Ausführung mit Druckfedern wenigstens eine Torsionsfeder umfassen. Diese beiden Federarten können auch in Kombination angeordnet sein. Als Druckfedern sind Spiralfedern zu bevorzugen. Zur Einleitung eines Momentes, z. B. an einem Drehgelenk zwischen Kurbel und Koppel und auf Kurbel sowie Koppel wirkend lässt sich vorzugsweise eine Drehfeder einsetzen. Alternativ oder hinzukommend kann auch eine Spiralfeder und/oder eine Torsionsstabfeder eingesetzt werden.
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Die ein Drehmoment bewirkende Torsionsfeder ist an zwei mittels eines Drehgelenks verbundene Getriebeglieder angeschlossen. Eine als Schenkelfeder oder auch als Spiralfeder ausgeführte Feder ist dabei vorzugsweise auf einem Gelenkbolzen eines Drehgelenkes gelagert. Eine Torsionsstabfeder kann selbst den Gelenkbolzen des Drehgelenkes ausbilden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Federeinrichtung ein System zur Veränderung der Federvorspannung der Federeinheit aufweist. Damit ist die Vorspannung der Federeinheit einstellbar und/oder die Anpassung an Winkelverhältnisse und/oder angreifende Kräfte möglich. In optimaler Weise ist das System zur Veränderung der Federvorspannung derart ausgestaltet, dass mit ihm gleichzeitig zur Bewegung der Glieder des Koppelgetriebes eine Veränderung der Federvorspannung ausführbar ist.
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Die Geometrie des Koppelgetriebes sieht insbesondere vor, dass bei Einsatz der Federeinrichtung die Wirkungslinie einer die Federeinrichtung beaufschlagenden Belastungskraft F im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsbahn des Gelenkes zwischen der Kurbel und der Koppel verläuft. Insbesondere betrifft dies die Ausgestaltung, in der die Kraft der Federeinheit auf dieses Gelenk wirkt, und/ oder die Belastungskraft F durch ein mit dem Gestell verbundenes Gelenk der Kurbel sowie dem Endpunkt der Koppel, der gegebenenfalls auch als Gelenk ausgebildet ist, verläuft.
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In günstiger Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen der Wirkungslinie der die Federeinrichtung beaufschlagenden Belastungskraft F und der Koppel, die eine Länge L aufweist, ein Winkel α besteht und die Federkraft FF der Federeinheit in Bezug zum jeweiligen Winkel α und der jeweils beaufschlagenden Belastungskraft F bzw. dem Betrag der von der Federeinrichtung aufzubringenden Gegenkraft im Wesentlichen und vorzugsweise genau in einem Verhältnis FF = F tanα steht.
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Dabei ist der Federweg s definiert durch s = 2 L (sinα – sinα0), wobei α0 der Ausgangswinkel des Federungsprozesses ist und die Federeinheit in der Ausgangsstellung bei α0 bereits um den Weg sV vorgespannt ist. Durch die Anpassung der Steigung der Kennlinie der Federeinheit an die Kraft, die in Abhängigkeit vom geltenden Winkel α gegen die Federeinheit wirkt, wird eine federnde Auflage oder auch Andruckeinrichtung zur Verfügung gestellt, die in nahezu jeder Winkelposition der Koppel die im Wesentlichen gleiche Kraft gegen eine beaufschlagende Kraft aufbringt. Das heißt, dass die erfindungsgemäße Federeinrichtung derart konzipiert ist, dass sie insgesamt eine sehr flache oder sogar waagerechte bzw. anstiegslose Kennlinie aufweist und demzufolge eine sehr weiche Federung gewährleistet.
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Bei im Wesentlichen gleicher, winkelunabhängiger Gegenkraft der Federeinrichtung weist die Federeinheit vorzugsweise eine lineare Kennlinie auf. Alternativ kann die Kennlinie der Federeinheit jedoch auch progressiv sein. Für besondere Anwendungsfälle kann jedoch die Kennlinie der Federeinheit auch einen degressiven Verlauf haben, nämlich dann, wenn durch die Federeinrichtung mit zunehmender Einfederung eine geringere Gegenkraft aufgebracht werden soll.
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In ergänzender Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Federeinrichtung wenigstens einen Schwingungsdämpfer aufweisen. Vorzugsweise ist der Schwingungsdämpfer mechanisch mit wenigstens einem Drehgelenk verbunden und derart angeordnet und ausgestaltet, dass er die Beschleunigung wenigstens eines Getriebegliedes, wie z. B. dieses Drehgelenkes und der damit verbundenen Getriebeglieder, dämpft. Vorteilhafterweise ist der Schwingungsdämpfer dabei mit dem federkraftbeaufschlagten Drehgelenk mechanisch verbunden, so dass der Schwingungsdämpfer die Beschleunigung dieses Drehgelenkes dämpft. Der Schwingungsdämpfer stützt sich bevorzugt an den beiden zwischen der jeweiligen Kurbel und der jeweiligen Koppel angeordneten Drehgelenken ab, so dass die Beschleunigung beider Drehgelenke durch diesen einen Schwingungsdämpfer gemindert werden kann.
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Insgesamt wird somit eine Federeinrichtung zur Verfügung gestellt, welche ein Gestell und zwei Kurbeln, zwei Koppel und einen Schieber aufweist, wobei die Getriebeglieder miteinander in der genannten Reihenfolge mittels Drehgelenken miteinander verbunden sind und der Schieber am oder im Gestell geführt ist. Die Kurbeln sind am Gestell drehgelagert. Die von der Federeinheit bewirkte Kraft FF wirkt dabei auf die zwischen jeweils einer Kurbel und einer Koppel angeordneten Drehgelenke, und zwar im Wesentlichen senkrecht zur Wirkungslinie einer Kraft F, die von der gesamten Federeinrichtung auf einen anderen Gegenstand aufzubringen ist. Zur Aufbringung eines statischen Gleichgewichtes in der Federeinrichtung muss bei Vergrößerung des Winkels α zwischen der Wirkungslinie der aufzubringenden Kraft F und der Koppel – bzw. bei gleichen Längen von Koppel und Kurbel auch der Kurbel –, die Kraft FF der Federeinheit auch immer größer werden. Dies wird durch die Federrate der Feder realisiert, die eine Kraft-Zunahme bei winkelvergrößerungsbedingter Einfederung bewirkt, so dass sich die winkelbedingte Kraftzunahme und die durch die Federrate bedingte Kraftzunahme im Wesentlichen ausgleichen. Die Federkennlinie der Federeinheit lässt sich vorzugsweise einstellen, so dass auch die Federrate der Federeinrichtung eingestellt werden kann. Dadurch lässt sich eine Federeinrichtung mit einer insgesamten Federrate mit im Wesentlichen anstiegsloser Kennlinie zur Verfügung stellen, so dass eine von der Federeinrichtung realisierte Kraft unabhängig von ihrem Einfederungsweg konstant haltbar ist.
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Weiterhin ist die Federeinrichtung dann vorteilhaft ausgebildet, wenn sie eine Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition aufweist, mit der der Abstand des Schiebers in Bezug zum am Gestell fest angeordneten Drehgelenk einstellbar und fixierbar ist. Vorzugsweise ist diese Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition als Spreizeinrichtung ausgeführt, mit der die Winkel zwischen den Kurbeln bzw. Koppeln einstellbar ist, wodurch ebenfalls die Höhe der Federeinrichtung und somit der Abstand zwischen Schieber und dem am Gestell fest angeordneten Drehgelenk eingestellt wird. Mit dieser Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition kann somit die absolute Höhe der Federeinrichtung zunächst reduziert werden, um sie z.B. in einem Zwischenraum zwischen einem zu pressenden Werkstück und einem Widerhalt in der Umgebung, wie z. B. dem Boden, anordnen zu können. Vorzugsweise ist die Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition derart konzeptioniert, dass sie auch in einer derartigen Einstellung eine Einfederung zulässt, d.h. eine gegen die Wirkung der Federeinheit gerichtete Verringerung des Abstandes zwischen dem Schieber und dem Drehgelenk am Gestell.
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Demzufolge ist mit der Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition die Position des Schiebers lediglich in einem Richtungssinn fixierbar.
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In weiterer günstiger Ausgestaltung ist die Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition im belasteten und/ oder unbelasteten Zustand der Federeinrichtung verstellbar, so dass nachträglich und somit auch im eingebauten Zustand der Abstand zwischen Schieber und am Gestell fest angeordnetem Drehgelenk vergrößerbar bzw. verringerbar ist. Dies ermöglicht auch eine Betätigung der Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition, wenn sie keine Kraft ausübt, z.B. zur Einstellung eines Anschlages zwecks Verhinderung einer unzulässig hohen Ausfederung.
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In dieser Ausführungsform kann die Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition durch eine Gewindespindel ausgebildet sein, die mit ihrem Gewinde mit einem ersten, zwischen einer ersten Kurbel und einem ersten Koppel angeordnetem Drehgelenk zusammenwirkt und derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass sie auf ein zweites, zwischen einer zweiten Kurbel und einem zweiten Koppel angeordnetes Drehgelenk eine Kraft ausüben kann. Zu diesem Zweck ist das erste Drehgelenk mit einem Innengewinde zur Aufnahme der Gewindespindel ausgestattet. Vorzugsweise drückt die Gewindespindel mit einem freien Ende gegen das zweite Drehgelenk.
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Dadurch, dass das freie Ende der Gewindespindel axial lediglich gegen das zweite Drehgelenk drückt, lässt sich das freie Ende der Spindel auch vom zweiten Drehgelenk lösen und zurückfahren und somit federungsbedingt eine Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Schieber und dem Drehgelenk am Gestell ermöglichen.
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Dabei kann das freie Ende in einer bestimmten Position angeordnet werden, die einen Anschlag beim Auffedern der Federeinrichtung realisiert, z.B. um ein unzulässig weites Auffedern zu verhindern.
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Die Erfindung ist dabei jedoch nicht auf die Ausgestaltung der Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition als Gewindespindel eingeschränkt, sondern die Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition kann alternativ hydraulisch oder pneumatisch arbeiten.
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Die erfindungsgemäße Federeinrichtung ist insbesondere anwendbar als Presse für Objekte, die über einen längeren Zeitraum mit konstantem Druck beaufschlagt werden müssen und/ oder die während des Pressvorganges ihre Höhe bzw. Dicke verändern.
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Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Verfahren zur Aufbringung einer im Wesentlichen konstanten Kraft auf einen Gegenstand unabhängig von der Position der Krafteinwirkung zur Verfügung gestellt, bei dem eine erfindungsgemäße Federeinrichtung derart positioniert und derart eingerichtet wird, dass die Federeinheit der Federeinrichtung gespannt ist und die von der Federeinheit realisierte Kraft mittels des Koppelgetriebes mechanisch auf den Gegenstand einwirkt. Insbesondere lässt sich dadurch z. B. auf eine Rolle aufzuwickelndes Bandmaterial unabhängig vom jeweiligen Durchmesser der Rolle mit einer im Wesentlichen konstanten Kraft andrücken.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigt
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1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Federeinrichtung erster Variante,
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2 die Federkennlinie einer Federeinheit,
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3 die Federkennlinie der Federeinrichtung,
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4 die perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Federeinrichtung einer ersten Ausführungsform,
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5 die untere Hälfte der in 4 dargestellten Ausführungsform der Federeinrichtung,
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6 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Federeinrichtung einer zweiten Ausführungsform,
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7 die Federkennlinie der in 6 dargestellten Federeinrichtung,
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8 die Federkennlinie einer Federeinheit, und
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9 die perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Federeinrichtung einer weiteren Ausführungsform,
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10 die Federeinrichtung mit einer Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition in einer ersten Stellung,
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11 die Federeinrichtung mit einer Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition in einer zweiten Stellung, und
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12 die Federeinrichtung mit einer Einrichtung zur Einstellung der Hubausgangsposition in einer dritten Stellung.
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Der generelle Aufbau der erfindungsgemäßen Federeinrichtung soll zunächst anhand 1 erläutert werden. Die dargestellte Federeinrichtung 1 umfasst ein Koppelgetriebe 10, welches wiederum aus einem Gestell 11, einer im Gestell 11 ausgebildeten Führung 12, einer ersten Kurbel 13, einer ersten Koppel 15, einer zweiten Kurbel 14, einer zweiten Koppel 16, einem Schieber 17 sowie zwischen den einzelnen genannten Getriebegliedern angeordneten Drehgelenken 18 besteht. Dabei bildet das die beiden Koppel 15, 16 verbindende Drehgelenk 18 in der dargestellten Ausführungsvariante gleichzeitig den Schieber 17 aus, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige konstruktive Ausgestaltung eingeschränkt ist, sondern das dort angeordnete Drehgelenk 18 auch vom Schieber 17 räumlich entfernt sein kann.
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Die Federeinrichtung 1 ist derart konzipiert, dass sie im Wesentlichen im Bereich des Schiebers 17 eine Belastungskraft F aufnehmen bzw. zur Erzielung eines statischen Gleichgewichtes eine entsprechende Kraft aufbringen kann. Die Belastungskraft F hat eine Wirkungslinie 20, die im Wesentlichen durch den Schieber 17 sowie das Drehgelenk 18 am Gestell 11 verläuft. Der Schieber 17 kann im Gestell 11 einen Hub h ausführen. Dadurch verschieben sich die Drehgelenke 18 zwischen den Kurbeln 13, 14 und den Koppeln 15, 16.
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Die Federeinrichtung umfasst des Weiteren eine Federeinheit 30, die mehrere Druckfedern 31 aufweist, wobei in 1 lediglich die in der Bildebene befindliche Druckfeder 31 dargestellt ist. Die Druckfedern 31 stützen sich einerseits gegen eine erste Druckplatte 33 an dem Drehgelenk 18 zwischen der ersten Kurbel 13 und der ersten Koppel 15 ab, und stützen sich andererseits an einem ersten Zugelement 35 ab, welches mechanisch mit dem Drehgelenk 18 zwischen der zweiten Kurbel 14 und der zweiten Koppel 16 verbunden ist. Es ist ersichtlich, dass bei Einfederung der Federeinrichtung mit dem Hub h die Druckfedern 31 zusammengedrückt werden, nämlich zweimal mit dem halben Weg der Federeinheit s, wie sich aus der gestrichelt angedeuteten Position der Drehgelenke 18 im Ausgangszustand und der Position der Drehgelenke 18 im Zustand der Einfederung, in dem die erste Koppel 15 in einem Winkel α zur Wirkungslinie 20 der Belastungskraft F verläuft, ergibt. In Ausgangslage des Koppelgetriebe ist der Winkel α möglichst spitz, wobei die auf einer Seite der Wirkungslinie 20 der Belastungskraft angeordneten Getriebeglieder Kurbel und Koppel gegebenenfalls unterschiedliche Längen aufweisen können und/oder gekrümmt ausgeführt sein können.
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Eine übliche Federkennlinie der anzuwendenden Federeinheit 30 ist in 2 dargestellt. Diese lineare Federkennlinie 40 verdeutlicht, dass die Kraft der Federeinheit FF proportional zum Weg der Federeinheit sF, zumindest zwischen dem Weg-Anfangspunkt sAN und dem Weg-Endpunkt sEN ansteigt. Das heißt, dass die von der Federeinheit 30 aufgebrachte Kraft FF umso größer wird, umso größer der Winkel α ist und umso weiter sich die Drehgelenke 18 zwischen den Kurbeln 13, 14 und den Koppeln 15, 16 nach außen verschieben. Eine dadurch von der Federeinheit bewirkte Rückstellkraft wird somit mit steigendem Winkel α immer größer. Durch die Geometrie des Koppelgetriebes wirkt sich jedoch bei steigendem Winkel α eine senkrecht zur Wirkungslinie 20 der Belastungskraft F von der Federeinheit aufgebrachte Kraft immer schwächer aus. Zur Herstellung eines Gleichgewichts ist die Kraft der Federeinheit FF gemäß der folgenden Bedingung einzustellen: FF = F tanα.
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Zur Herstellung eines Kräfte-Gleichgewichts in weiten Winkelbereichen des Winkels α sollte die Kennlinie 40 der Federeinheit 30 einen progressiven Verlauf aufweisen.
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Eine damit zu erzielende waagerechte Kennlinie 50 der Federeinrichtung 1 ist in 3 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die von der Federeinrichtung 1 aufgebrachte Kraft F unabhängig vom Hub h denselben Wert aufweist.
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Eine besondere konstruktive Ausführungsform ist in der perspektivischen Darstellung in 4 gezeigt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Variante dadurch, dass auf beiden Seiten des Koppelgetriebes, d. h. an beiden Drehgelenken 18 zwischen einer jeweiligen Kurbel 13 und Koppel 15 bzw. Kurbel 14 und Koppel 16 eine Federeinheit angeordnet ist, die ein Paket von jeweils vier Druckfedern 31 umfasst. Diese Druckfedern 31 stützen sich an einer ersten Druckplatte 33 sowie an einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Druckplatte 34 ab. Die erste Druckplatte 33 ist noch einmal als Einzelheit dargestellt. Es ist ersichtlich, dass ein an der ersten Druckplatte 33 angeordneter Zapfen gleichzeitig einen Teil des Drehgelenkes 18 zwischen der ersten Kurbel 13 und der ersten Koppel 15 ausbildet. Die Druckfedern 31 wirken dabei auf die Druckplatten 33, 34, die wiederum mit Zugelementen mit dem Drehgelenk zwischen der gegenüberliegend angeordneten Kurbel und Koppel verbunden sind. Das heißt, dass anders als in der 1 dargestellten Variante, die von der Federeinheit bewirkten Kräfte FF von auf beiden Seiten des Koppelgetriebes 10 angeordneten Federpaketen bewirkt werden.
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Zur besseren Verdeutlichung der in 4 dargestellten Ausführungsvariante ist in 5 deren untere Hälfte in einer Schnittdarstellung gezeigt. Besonders deutlich ist hierbei ersichtlich, dass die einzelnen Druckfedern 31 auf Zugelementen 35, 36 gelagert sind, so dass von den Druckfedern 31 aufgebrachte Druckkräfte in Zugkräfte umgewandelt werden können. Die Gelenkbewegungsbahn 70 des federeinheitskraftbeaufschlagten Drehgelenkes 18 verläuft relativ zur Federeinheit als Gerade entlang der Zugelemente 35, 36, hier zwecks besserer Übersichtlichkeit parallel angedeutet.
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Die Zugkraft wird dabei von jeweils einer Scheibe 61, die mit einer Mutter 62 gesichert ist, aufgenommen. Diese Scheiben 61 mit Muttern 62 bilden zusammen mit dem jeweiligen Zugelement 35, 36 ein System zur Veränderung der Federvorspannung 60 aus, nämlich durch Anziehen der Mutter 62 auf einem Gewinde des jeweiligen Zugelementes 35, 36, mit dem die Vorspannung die Druckfeder 31 beeinflussbar ist. Durch das System zur Änderung der Federvorspannung 60 kann die Federeinheit 30 derart eingestellt werden, dass unterschiedlich große Kräfte F, wie in 3 angedeutet, abgefedert werden können.
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In 6 ist die in den 4 und 5 dargestellte Ausführungsform noch einmal schematisch verdeutlicht, wobei hier hinzukommend noch ein Schwingungsdämpfer 80 vorgesehen ist, der Beschleunigungen der ersten Druckplatte 33 und der zweiten Druckplatte 34 verringert.
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In 7 ist eine Federkennlinie 40 der Federeinheit dargestellt, die beispielhaft einen stärkeren Anstieg als die in 2 dargestellte Federkennlinie 40 aufweist, erreichbar durch die Wahl einer größeren Federsteifigkeit bzw. Federrate. Die Folge davon ist, dass bei Einfederung der Federeinrichtung, wie sie in 6 dargestellt ist, mit dem Hub h, von der Federeinheit 30 bei zunehmendem Federweg s eine entsprechend höhere Federkraft FF ausgeübt wird, die zur Realisierung einer horizontalen Kennlinie der Federeinrichtung größer als erforderlich ist.
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Dies führt zu einer insgesamten Federkennlinie 50 der Federeinrichtung 1 mit einem Anstieg, wie es z. B. in 8 dargestellt ist. Eine derartig ausgestaltete Federeinrichtung 1 bewirkt somit bei zunehmenden Hub h eine zunehmende Gegenkraft, wobei auf Grund des geringen Anstiegs der Federkennlinie 50 das Federverhalten der Federeinrichtung 1 sehr weich ist.
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In 9 ist eine perspektivische Darstellung einer weiteren konstruktiven Ausgestaltungsvariante gezeigt, bei der die Federeinheit 30 durch mehrere Torsionsfedern 32 ausgebildet ist, die im Wesentlichen an den Positionen der Drehgelenke 18 zwischen den Kurbeln 13, 14 und den Koppeln 15, 16 angeordnet sind. Schenkel der Torsionsfedern 32 sind dabei mit den jeweils angrenzenden Getriebegliedern verbunden, so dass durch die jeweiligen Torsionsfedern 32 ein Drehmoment auf diese Getriebeglieder federnd aufgebracht wird. Ersichtlich ist, dass das dargestellte Koppelgetriebe 10 lediglich einen Getriebefreiheitsgrad f = 1 aufweist, nämlich die translatorische Bewegung des Schiebers 17. Der Winkel zwischen der Wirkungslinie der Belastungskraft 20 und der Wirkungslinie der Federkraft FF, die im Wesentlichen mit der Gelenkbewegungsbahn 70 des Gelenkes 18 zwischen einer jeweiligen Kurbel und einer jeweiligen Koppel zusammenfällt, ist vorzugsweise 90°.
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Auch die in den 10–12 dargestellte Federeinrichtung 1 umfasst ein Gestell 11 sowie eine erste Kurbel 13, eine zweite Kurbel 14, eine erste Koppel 15 sowie eine zweite Koppel 16, die in den dargestellten Positionen zusammen jeweils einen Rhombus unterschiedlicher Winkelverhältnisse bilden.
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Wie bereits in der Ausführung gemäß 6 dargestellt, umfasst die Federeinrichtung 1 des Weiteren eine erste Druckplatte 33 sowie eine zweite Druckplatte 34 sowie ein erstes Zugelement 35 und ein zweites Zugelement 36. Im Unterschied zu den bisher dargestellten Ausführungsvarianten umfasst die in den 10–12 gezeigte Federeinrichtung 1 zusätzlich eine Spindel 90, die in der ersten Druckplatte 33 und vorzugsweise durch das dort gelagerte Drehgelenk 18 geführt ist und mit einem dort angeordneten Innengewinne in Eingriff gebracht ist. Die Spindel 90 erstreckt sich mit dem freien Ende 91 in Richtung des gegenüberliegenden Drehgelenks 18 bzw. der dort angeordneten zweiten Druckplatte 34, in dem das Drehgelenk 18 aufgenommen ist.
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In 10 ist ersichtlich, dass das freie Ende der Gewindespindel 90 gegen die zweite Druckplatte 34 drückt und somit zu einer Aufspreizung der Federeinrichtung führt, wodurch der Abstand zwischen dem Drehgelenk 18 am Gestell 11 und einer am gegenüberliegenden Drehgelenk 18 angeordneten Pressplatte 95 gegen die Wirkung der Druckfedern 31 verringert wird. Dadurch lässt sich die Federeinrichtung in ihrer Höhe verringern und derart in einem begrenzten Zwischenraum positionieren.
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Nach Verschiebung der Gewindespindel 90 derart, dass ihr freies Ende 91 von der zweiten Druckplatte 34 gelöst ist, wie in 11 dargestellt, können die Druckfedern 31 ihre Kraft entfalten und die Aufspreizung der Federeinrichtung verringern, sodass eine Druckkraft über die Pressplatte 95 auf ein darunter angeordnetes Werkstück 100 gerichtet wird, wobei die Gegendruckkraft von einem darunter befindlichen Boden 110 aufgebracht wird.
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Aus 12 ist ersichtlich, dass bei entsprechender Zurück-Drehung der Gewindespindel 90 die Federeinrichtung 1 in nahezu gestreckte Lage bringbar ist, sodass in entsprechender Weise das Werkstück 100 unabhängig vom Verformungsweg einer, wie oben bereits beschriebenen, konstanten Federkraft aussetzbar ist.
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Es ist ersichtlich, dass die Federeinrichtung trotz ursprünglicher eingestellter Hubanfangsposition ungehindert auf Höhenveränderungen des Werkstücks 100 reagieren kann. Die erfindungsgemäße Federeinrichtung ist insbesondere für das Pressen von Materialien über längere Zeiträume hinweg, z. B. über eine ganze Woche, konzipiert. Insofern es bei dem Pressvorgang zu einer wahrnehmbaren Volumen- bzw. Höhenänderung kommt, lässt sich der Pressdruck trotz unterschiedlicher Position der Pressplatte im Wesentlichen konstant halten. Da die Presskraft von Federn bewirkt wird, ist während des gesamten Zeitraums keine Energiezufuhr erforderlich, wodurch der Einsatz der Federeinrichtung 1 sehr energieeffizient ist. Zudem ist der Einsatz der Federeinrichtung mit einer hohen Lebensdauer möglich, ohne Wartungs- und/oder Reparaturprozesse wie bei hydraulischen bzw. pneumatischen Anlagen in Kauf nehmen zu müssen. Dies ermöglicht den energetisch autarken Betrieb der Federeinrichtung. In Fällen, in denen energische Autarkie keine Rolle spielt, kann die Gewindespindel 90 mit einem elektromotorischen Antrieb versehen sein.
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Vorzugsweise sollten die verwendeten Druckfedern 31 eine geringe Progression oder eine lineare Kennlinie aufweisen.
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Die dargestellte Gewindespindel 90 ist lediglich eine Ausführungsform der möglichen Einrichtungen zur Einstellungen der Federeinrichtung in ihrer Höhe. Alternativ können auch Hydraulik- bzw. Pneumatik-Zylinder eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federeinrichtung
- 10
- Koppelgetriebe
- 11
- Gestell
- 12
- Führung
- 13
- Erste Kurbel
- 14
- Zweite Kurbel
- 15
- Erste Koppel
- 16
- Zweite Koppel
- 17
- Schieber
- 18
- Drehgelenk
- F
- Belastungskraft
- 20
- Wirkungslinie der Belastungskraft
- h
- Hub
- 30
- Federeinheit
- 31
- Druckfeder
- 32
- Torsionsfeder
- 33
- Erste Druckplatte
- 34
- Zweite Druckplatte
- 35
- Erstes Zugelement
- 36
- Zweites Zugelement
- 40
- Federkennlinie der Federeinheit
- 50
- Federkennlinie der Federeinrichtung
- hAN
- Hub-Anfangspunkt
- hEN
- Hub-Endpunkt
- sV
- Weg zum Vorspannen der Federeinheit
- s
- Weg der Federeinheit
- sAN
- Weg-Anfangspunkt des Federungsprozesses
- sEN
- Weg-Endpunkt des Federungsprozesses
- FF
- Kraft der Federeinheit
- 60
- System zur Veränderung der Federvorspannung
- 61
- Scheibe
- 62
- Mutter
- 70
- Gelenkbewegungsbahn
- 80
- Schwingungsdämpfer
- L
- Länge
- α
- Winkel
- α0
- Ausgangswinkel des Federungsprozesses
- 90
- Gewindespindel
- 91
- Freies Ende
- 95
- Pressplatte
- 100
- Werkstück
- 110
- Boden
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010038812 A1 [0004]
- DE 4036956 A1 [0005]
- DE 102011015798 A1 [0006]
- EP 1201959 A2 [0007]
- DE 4412698 A1 [0007]
- DE 682732 [0007]
