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Die Erfindung betrifft eine Schraubenfeder aus Federstahl. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Schraubenfeder aus Federstahl zur Federung eines Fahrwerks eines Automobils.
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Federn finden auf vielen Gebieten der Technik Anwendung. Sie sind elastisch verformbare Bauteile, die für die Aufnahme sowie Abgabe von Kräften, insbesondere dem Abfedern von Stößen, ausgebildet sind. Eine ungespannte Feder befindet sich in einem Kräftegleichgewicht und kann Energie aufnehmen. Die Energie wird als Spannung in der Feder gespeichert, indem sich die Feder während der Energieaufnahme elastisch verformt. Eine Feder, die Energie aufgenommen hat, wird als gespannte Feder bezeichnet. Während der Rückstellung der Feder in den ungespannten Ausgangszustand gibt die Feder die gespeicherte Energie wieder ab.
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Federn werden nach ihrer inneren Belastung in Torsions-Biege, Zug- und Druckfedern unterteilt. Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Federtypen, wie z. B. Schraubenfedern, Torsionsstabfedern, Biegefedern, Luftfedern oder Gasdruckfedern. Die bekannteste Feder, die Schraubenfeder, kommt z. B. als Rückstellfeder eines Kugelschreibers als auch in Dämpfungsfeder eines Drehgestells eines Eisenbahnwaggons zum Einsatz. Im Automobilbau werden Schraubenfedern insbesondere zur Fahrgestellfederung in den Radaufhängungen verbaut.
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Herkömmliche Schraubenfedern weisen einen Draht aus Federstahl auf, der spiralförmig um eine zentrale Federachse gewunden ist und sich mit jeder 360° Windung um die zentrale Federachse entlang dieser erstreckt. Es gibt mehrere unterschiedliche Bauformen von Schraubenfedern, die sich im Wesentlichen durch die Ausprägung einer Mantelfläche der Schraubenfeder unterscheiden. Unter Mantelfläche einer Schraubenfeder wird eine Fläche verstanden, die die Schraubenfeder umhüllt und dabei eine Schraubenförmige Linie des Drahts, die auf einer der zentralen Federachse abgewandten Seite des Drahts angeordnet ist, über dessen gesamte Länge berührt. Eine Normalfeder weist eine zylinderförmige Mandelfläche auf. Ferner gibt es noch Schraubenfedern in Tonnenform, Kegelform, wie z. B. Sprungfedern, sowie Schraubenfedern in Taillenform. Bei besonderen Bauformen von Schraubenfedern kann ein Durchmesser des Drahts über dessen Länge variieren.
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Federstahl ist ein Stahl, der im Vergleich zu anderen Stählen eine höhere Festigkeit besitzt. Das Streckgrenzenverhältnis von Federstählen, also das Verhältnis von Streckgrenze zu Zugfestigkeit, beträgt bei Federstählen i.d.R. über 0,85.
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Für die moderne Automobilbranche ist die fortschreitende Entwicklung neuer Fahrzeuge mit einem stetig reduzierten Kraftstoffverbrauch ein wichtiges Ziel, um im Wettbewerb bestehen zu können. Bei der Entwicklung kraftstoffsparender Automobile ist es wichtig, neben einer Optimierung der Antriebstechnik auch das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs möglichst gering zu halten. Für die Reduzierung des Fahrzeuggewichts sind sowohl die Fahrzeugstruktur als die Dimensionen sowie Materialien der verwendeten Bauteile von besonderer Bedeutung. Aus diesem Grund wird fortwährend nach Bauteilen mit einer höheren gewichtsbezogenen Leistungsfähigkeit geforscht.
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Herkömmliche Schraubenfedern aus Federstahl haben den Nachteil, dass ihre Belastbarkeit begrenzt ist und eine Reduzierung der Baugröße bzw. ihres Gewichts ihre Gesamtbelastbarkeit weiter reduzieren würde. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schraubenfeder aus Federstahl bereitzustellen, die bei gleichem Gewicht eine höhere Belastbarkeit als eine herkömmliche Schraubenfeder aus Federstahl aufweist. Des Weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schraubenfeder bereitzustellen.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Schraubenfeder nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 9 stellen hierbei bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schraubenfeder dar.
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Demnach wird die Aufgabe durch eine Schraubenfeder mit einem um eine Federachse im Wesentlichen schraubenförmig bzw. spiralförmig mit einer Steigung gewundenen, eine Längsachse aufweisenden Federdraht, insbesondere aus Federstahl, gelöst, wobei der Federdraht in mindestens einem schraubenförmig um die Federachse gewundenen Abschnitt um seine Längsachse verdrillt ist.
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Bei der Herstellung von Schraubenfedern wird zunächst ein Draht aus hochfestem Federstahl erzeugt und anschließend durch Winden oder Wickeln in die gewünschte Schraubenform gebracht. Bei einem Verfahren der Drahterzeugung wird ein Rohdraht zunächst einer chemischen Vorbehandlung unterzogen. Anschließend wird der Draht in einem Ziehprozess – oftmals in mehrere Stufen unterteilt ist, da pro Stufe eine maximale Durchmesserverringerung von etwa 40% erreichbar ist, ohne den Draht zu beschädigen – auf einen ersten Zieldurchmesser gezogen. Anschließend wird der Draht einer Wärmebehandlung, z. B. einem Glühen unter einer künstlichen Atmosphäre, unterzogen und abgekühlt. In einem anschließenden Ziehprozess erhält der Draht ein gewünschtes Endmaß.
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Beim Winden wird der Draht über Vorschubrollen und eine Drahtführung zu einer Windestation geführt. In der Windestation sorgen ortsfeste Windestiften für ein Verwinden des Drahts und ein ortsfester Steigungskeil für eine Steigung der Schraubenfeder. Beim Wickeln wird der Draht um einen z. B. stangenförmigen Wickeldorn zu einer Schraubenfeder geformt. Dabei wird der Draht von einem Gegenhalter festgehalten und mit Hilfe eines rotierenden Mitnehmers um den Wickeldorn gewickelt. Hierbei wird der Federstahl elastisch und plastisch verformt Durch einen Vorschub des rotierenden Gegenhalters entlang der Längsachse des Wickeldorns wird die Steigung der Schraubenfeder erzeugt. Nach dem Wickelvorgang wird der Mitnehmer entspannt, wobei die Schraubenfeder um den Anteil der elastischen Verformung zurückfedert. Bei der Wahl des Dorndurchmessers muss daher die elastische Rückfederung des Drahts berücksichtigt werden.
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Nach dem Wickeln bzw. Winden erfolgt oftmals eine weitere Wärmebehandlung, wie z. B. Anlassen oder Vergüten, um die Härte der Schraubenfeder zu erhöhen sowie ein Schleifen zum Glätten der Oberfläche, wodurch die Festigkeit der Schraubenfeder weiter erhöht wird. In einem anschließenden Setzprozess wird die Schraubenfeder gezielt plastisch verformt, um sie auf ein gewünschtes Endmaß zu bringen.
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Eine schraubenförmige Windung eines Federdrahts um eine Federachse weist eine radiale Komponente um die Federachse sowie eine axiale Komponente entlang der Federachse auf. Mit jeder Windung von 360° um die Federachse erstreckt sich der Federdraht i.d.R. kontinuierlich entlang der Federachse. Die Steigung der Windungen beschreibt das Verhältnis von axialer Komponente zur radialen Komponente. Je größer eine Steigung einer Windung ist, desto weniger Windungen sind erforderlich, um eine bestimmte Erstreckung der Schraubenfeder in axialer Richtung zu erreichen. Demnach sind bei einer kleineren Steigung mehr Windungen um die Federachse erforderlich, um eine bestimmte Erstreckung der Schraubenfeder in axialer Richtung zu erreichen.
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Bei der Verdrillung bzw. Verdrehung eines Abschnitts eines Federdrahts werden die zwei entgegengesetzten Enden des zu verdrillenden Abschnitts eingespannt und relativ zueinander um die Längsachse des Federdrahts durch Torsion verdreht. Als Torsion bezeichnet man die Verdrehung eines Materials oder Bauteils, wie z. B. eines Stabs oder Federdrahts. Die Verdrehung wird dabei durch das wirkende Torsionsmoment herbeigeführt. Bei der Torsion treten nur Schubspannungen auf, die an verschiedenen Stellen in verschiedene Richtungen zeigen und dadurch das Drehmoment erzeugen. Es kommt also zur Verdrehung der Körperachsen. Die Torsionsspannung ist definiert als das Verhältnis vom wirkenden Drehmoment zum Widerstandsmoment bei einer Verdrehung bzw. Torsion des Körpers.
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Unter Verdrillung wird im Sinne der Erfindung die plastische Verdrehung des Federdrahts durch Torsion verstanden, also eine Verdrehung, die der Federdraht auch nach Abbau eines Torsionsmonents zumindest teilweise behält. Durch das Torsionsmoment wird der Federdraht demnach über seine Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht, damit sich der Federdraht plastisch verformt. Eine rein elastische Verdrillung, die bei einem Torsionsmoment unterhalb der Elastizitätsgrenze des Federdrahts stattfindet, ist erfindungsgemäß nicht erwünscht.
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Durch die Verdrillung des Federdrahts werden in Richtung der Längsachse des Federdrahts voneinander beabstandete Querschnittsflächen des Federdrahts relativ zueinander verdreht. Dabei wird der Federdraht durch Kaltverfestigung des Metallgefüges versteift.
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Bei einer bestimmungsgemäßen Belastung werden auf eine Schraubenfeder Zug- oder Druckkräfte ausgeübt. Der Federdraht der Schraubenfeder wird dabei – wie beim Verdrillen – auf Torsion belastet, wobei die Belastung stets unterhalb der Elastizitätsgrenze des Federdrahts erfolgen soll, um plastische Verformungen der Schraubenfeder bei dieser Einsatzbelastung zu vermeiden. Bei einer Belastung auf Torsion treten am Querschnitt des Federdrahts ausschließlich Schubspannungen auf.
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Federstahl zeichnet sich durch eine im Vergleich zu herkömmlichen Stahlsorten hohe Festigkeit, z. B. Zugfestigkeit, sowie Elastizität, z. B. Elastizitätsgrenze, aus. Darüber hinaus ist das Verhältnis von Streckgrenze zur Zugfestigkeit bei Federstählen im Vergleich zu herkömmlichen Stahlsorten besonders hoch und beträgt meistens über 0,85. Da Federstähle i.d.R. federnd belastet werden, ist eine gleichmäßige Verteilung des Kohlenstoffs sowie weiterer Legierungselemente erforderlich, um eine hierfür wichtige Elastizität sowie Festigkeit zu erzielen.
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Eine aus verdrilltem Federdraht gebildete Schraubenfeder weist wegen einer optimalen Ausrichtung des Faserverlaufes eine höhere Belastbarkeit unter Torsion auf als eine aus nicht verdrilltem Federdraht gebildete Schraubenfeder. Hierdurch wird die Lebensdauer der Schraubenfeder erhöht. Das Gewicht einer Schraubenfeder kann somit weiter reduziert werden. Da eine Orientierung des Faserverlaufes in einer Achsfeder von einer Verdrillrichtung sowie einer Verdrillsteigung abhängt, sind eine Verdrillrichtung sowie Verdrillsteigung zu wählen, die eine Orientierung der Kaltverfestigungen bewirken, die einem Torsionsmoment der Schraubenfeder, das beim Stauchen der Schraubenfeder im Querschnitt des Federdrahts wirkt, einen möglichst hohen Widerstand entgegenbringt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Federdraht eine Verdrillrichtung auf, die relativ zu einer Wickelrichtung der Schraubenfeder derart ausgebildet ist, dass eine Längs- und Texturrichtung des Federdrahts parallel zu einer Normalspannungsebene der Schraubenfeder angeordnet ist. Hierdurch erhält die Schraubenfeder eine besonders hohe Belastbarkeit und die Lebensdauer der Schraubenfeder wird weiter erhöht.
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Vorzugsweise weist der Federdraht eine geschliffene Oberfläche auf, die eine maximale Rauheit von wenigen Mikrometern aufweist. Nach dem Verdrillen des Federdrahtes und Wickeln der Achsfeder erfolgt ein Festigkeitsstrahlen der gesamten Oberfläche durch Kugelstrahlen, um Druckeigenspannungen in die Oberfläche zu induzieren. Durch beide Maßnahmen wird die Dauerfestigkeit angehoben und somit die Lebensdauer der Achsfeder erhöht.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn der Federdraht über seine komplette Länge der Achsfeder verdrillt ist. Somit weist die Schraubenfeder über ihre komplette Länge die positiven Effekte eines verdrillten Federdrahts aus Federstahl auf. Des Weiteren sind derartige Schraubenfedern besonders kostengünstig herstellbar, da ein Verdrillen eines Federdrahts über dessen gesamte Länge einen geringeren Fertigungsaufwand als ein teilweises Verdrillen des Federdrahts erfordert.
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Weiter bevorzugt ist der Federdraht über seine komplette Länge gleichmäßig verdrillt. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellung sowie das Handling eines solchen Federdrahts weiter vereinfacht werden, da der Federdraht in sämtlichen Bereichen entlang seiner Längsachse die gleichen Eigenschaften aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schraubenfeder weist der Federdraht mindestens einen Endbereich auf, in dem der Federdraht nicht verdrillt ist, sowie einen mittleren Bereich auf, in dem der Federdraht verdrillt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Schraubenfeder in dem Endbereich veränderte mechanische Eigenschaften aufweist, die für einen sicheren Sitz in einer entsprechenden Lagerung der Schraubenfeder vorteilhaft sind.
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Es ist bevorzugt, dass die Schraubenfeder in mindestens einem Endbereich eine Wickelung des Federdrahts um die Federachse mit einer geringeren Steigung als in dem mittleren Bereich aufweist.
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Demzufolge weist der Endbereich in einem Abschnitt entlang der Federachse vorzugsweise mehr Windungen als in dem mittleren Bereich über einen gleichlangen Abschnitt. Weiter bevorzugt weist die Schraubenfeder in dem Endbereich eine letzte Windung auf, die keine Steigung aufweist. Eine solche Schraubenfeder hat den Vorteil, dass durch eine im Wesentlichen ring- bzw. torusförmige Endfläche ein besonders guter Sitz in einer Federhalterung bzw. einem Federlager gewährleistet wird.
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Vorzugsweise weist die Schraubenfeder in mindestens einem Endbereich eine flächige Anlagefläche auf. Eine derartige Ausgestaltung hat den weiteren Vorteil, dass durch eine im Wesentlichen flächige sowie ringförmige Endfläche ein verbesserter Sitz der Schraubenfeder in einer Federhalterung bzw. einem Federlager gewährleistet wird.
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Weiter bevorzugt weist der Federdraht einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf. Ein solcher Federdraht ist leicht herstellbar sowie zu einer Schraubenfeder weiterverarbeitbar, da der Federdraht im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu seiner Längsachse ausgebildet ist.
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Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schraubenfeder aus Federdraht gelöst. Das Verfahren umfasst die nachfolgenden Schritte:
- – Erwärmen eines Federdrahts aus Federstahl mit anschließendem Verdrillen; und
- – Kaltwickeln, Warmwickeln oder Winden des Federdrahts zu einer Schraubenfeder;
oder - – Kaltverdrillen des Federdrahtes um dessen Längsachse; und
- – Kaltwickeln, Warmwickeln oder Winden des Federdrahts zu einer Schraubenfeder.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Unebenheiten der Oberfläche des Federdrahts nach dem Verdrillen durch mechanische Bearbeitung, z. B. durch Schleifen, beseitigt werden. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn nach dem Wickeln oder Winden die Schraubenfeder einer Wärmebehandlung, z. B. einem Vergüten, unterzogen wird, um die Festigkeit sowie Zähigkeit des Federdrahts zu erhöhen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines verdrillten Federdrahts;
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2 eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Schraubenfeder mit verdrilltem Federdraht; und
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3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Schraubenfeder.
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1 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Ausschnitt eines verdrillten Federdrahts 16, der zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schraubenfeder 10 verwendet wird. Der Federdraht 16 weist eine Längsachse 14 auf und ist in diesem Ausführungsbeispiel um die Längsachse 14 rotationssymmetrisch ausgebildet. Durch das Verdrillen weist der Federdraht 16 umlaufende Verdrillzüge 17 auf. Die Verdrillzüge 17 bilden mit der Längsachse 14 einen Verdrillwinkel, der das Maß der Verdrillung bestimmt. Je stärker die Verdrillung, desto weiter nähert sich der Verdrillwinkel 90° an. Ein nicht verdrillter Federdraht 16 weist demnach einen Verdrillwinkel von 0° auf. Die Verdrillzüge 17 erstrecken sich bei einem nicht verdrillten Federdraht 16 somit parallel zur Längsachse 14.
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Senkrecht zu den Verdrillzügen 17 sind Normalspannungsebenen 18 des Federdrahts 16 ausgebildet. Während Normalspannungsebenen 18 eines nicht verdrillten Federdrahts 16 orthogonal zur Längsachse 14 ausgebildet sind, sind Normalspannungsebenen 18 eines verdrillten Federdrahts 16 zusätzlich um den Verdrillwinkel V relativ zur Längsachse 14 verdreht. Zur besseren Veranschaulichung sind an einer Normalspannungsebene 18 angreifende, entgegengesetzt gerichtete Normalspannungsvekoren 19 als Pfeile dargestellt.
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2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Schraubenfeder 10. Die Schraubenfeder 10 weist einen verdrillten Federdraht 16 mit einer Längsachse 14 auf, der schraubenförmig um eine Federachse 12 der Schraubenfeder 10 gewickelt bzw. gewunden ist. Die Schraubenfeder 10 weist eine Steigung S auf, die in dieser Ansicht als Steigungswinkel zwischen der Längsachse 14 des Federdrahts 16 und einer Senkrechten zur Federachse 12 dargestellt ist. Die Steigung ist ein Maß dafür, wie weit sich die Schraubenfeder 10 pro Windung in Richtung der Federachse 12 erstreckt. Ein kleiner Steigungswinkel bedeutet demnach eine kleine Steigung S bzw. ein großer Steigungswinkel eine große Steigung S. Wie aus 2 hervorgeht, sind die Verdrillzüge 17 im Wesentlichen parallel zur Federachse 12 angeordnet.
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Es hat sich gezeigt, dass ein Verdrillwinkel V von etwa 45° besonders günstig für eine Schraubenfeder 10 ist. Die Schraubenfeder 10 weist in diesem Fall vorzugsweise eine Steigung S von 45° auf, so dass Normalspannungsebenen 18 des Federdrahts 16 im Wesentlichen senkrecht zur Federachse 12 angeordnet sind.
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Bei vorgespannten Schraubenfedern 10 ist es bevorzugt, wenn die Normalspannungsebenen 18 im vorgespannten Zustand der Schraubenfeder 10 im Wesentlichen senkrecht zur Federachse 12 angeordnet sind.
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In 3 ist schematisch ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schraubenfeder dargestellt.
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In einem ersten Schritt „erstes Erwärmen“ 20 wird der Federdraht 16 thermisch auf eine Weiterbearbeitung vorbereitet. Durch das Erwärmen 20 wird der Federdraht 16 weicher und die Gefahr von Rissbildung oder Sprödbruch reduziert.
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In einem zweiten Schritt „Verdrillen“ 21 wird der Federdraht 16 um einen Verdrillwinkel V um seine Längsachse 14 verdrillt. Eine Verdrillrichtung sowie eine Größe des Verdrillwinkels V hängt im Wesentlichen von der Windung, insbesondere der Steigung S, der Schraubenfeder 10 ab. Vorzugsweise ist der Federdraht 16 derart zu verdrillen, dass die Normalspannungsebene 18 des Federdrahts 16 im Wesentlichen senkrecht zur Federachse 12 angeordnet ist.
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Alternativ kann das erste Erwärmen 20 entfallen und die Verdrillung durch Kaltverdrillen erzeugt werden.
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In einem dritten Schritt Schleifen 22 wird die Oberfläche des Federdrahts 16 einer Schleifbehandlung unterzogen und somit von Graten und sonstigen Unebenheiten befreit.
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Nach dem dritten Schritt ist eines von drei alternative Verfahren erfindungsgemäß vorgesehen.
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Gemäß einer ersten Alternative erfolgt nach dem Schleifen 22 ein Härten und Anlassen 23, das vorzugsweise induktiv erfolgt, ein Kaltwickeln 24 bei dem der Federdraht 16 um eine Federachse 12 mit einer Steigung S zu einer Schraubenfeder 10 gewickelt wird. Vorzugsweise folgt ein Festigkeitsstrahlen 27, Setzen 27 und ein optionaler Oberflächenschutz 28.
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Gemäß einer zweiten Alternative erfolgt nach dem Schleifen 22 ein Kaltwickeln 24, bei dem der Federdraht 16 um eine Federachse 12 mit einer Steigung S zu einer Schraubenfeder 10 gewickelt wird, ein Stückvergüten 29, um die Festigkeit sowie Zähigkeit des Federdrahts 16 zu erhöhen, sowie ein optionales Festigkeitsstrahlen 29, Setzen 27 und ein optionaler Oberflächenschutz 28.
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Gemäß einer dritten Alternative erfolgt nach dem Schleifen 22 ein zweites Erwärmen 30, das z. B. induktiv oder im Ofen erfolgt, ein Warmwickeln 31, ein Abschrecken 32, ein drittes Erwärmen 33 zum Anlassen sowie ein optionales Festigkeitsstrahlen 26 mit Setzen 27 und optionalem Oberflächenschutz 28.
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Für die jeweiligen Verfahrensschritte sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Verfahren bekannt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schraubenfeder
- 12
- Federachse
- 14
- Längsachse
- 16
- Federdraht
- 17
- Verdrillzug
- 18
- Normalspannungsebene
- 19
- Normalspannungsvektor
- 20
- erstes Erwärmen
- 21
- Verdrillen
- 22
- Schleifen
- 23
- Härten und Anlassen
- 24
- Kaltwickeln
- 26
- Festigkeitsstrahlen
- 27
- Setzen
- 28
- Oberflächenschutz
- 29
- Stückvergüten
- 30
- zweites Erwärmen
- 31
- Warmwickeln
- 32
- Abschrecken
- 33
- drittes Erwärmen
- S
- Steigung
- V
- Verdrillwinkel
