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Die Erfindung betrifft eine Blattfeder oder Tellerfeder mit optimiertem Design, insbesondere eine Blattfeder bzw. Tellerfeder für Anwendungen bei Messvorrichtungen oder Sensoren in der Automobilindustrie und in sonstigen Anwendungen, wie z. B. Haushaltsgeräte.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Blattfedern bekannt. Speziell für die Rückstellung von Membranen oder anderen beweglichen Einrichtungen bei Messvorrichtungen sind Tellerfedern oder Blattfedern bekannt.
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Aus der
DE 10 2008 025 045 A1 sind derartige Messvorrichtungen mit einem Gehäuse und mit einer im und/oder am Gehäuse angeordneten Membran bekannt. Im Gehäuse befindet sich ebenfalls ein elastisches Element zur Rückstellung der Membran. Ein Signalgeber steht mit der Membran und/oder mit dem elastischen Element in Wirkverbindung. Mit dem Signalgeber wirkt ein Signalaufnehmer zur Erzeugung des Meßsignals zusammen. Bei diesen Sensoren wird eine gewisse Hysterese bei Veränderungen des Druckes und/oder der Temperatur des zu messenden Fluids beobachtet, welche wiederum zu einer Verfälschung des Meßsignals führen kann.
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In der
DE 689 08 697 T2 ist eine als ein elastisches Rückstellelement dienende Blattfeder beschrieben. Die Blattfeder besitzt zwischen deren Zentrum und deren Rand eine spiralartige Wellenringstruktur, die Teil einer mehrfachen Spirale ist (dreifach ausgeführt).
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Aus der
DE 10 2010 0022428 A1 ist eine Blattfeder für eine Messvorrichtung mit einem elastischen Element bekannt. Das elastische Element weist eine Struktur zur Versteifung auf. Mit anderen Worten werden in die Geometrie des elastischen Elements in gewissen Bereichen Strukturen zu dessen Versteifung eingebracht. Dadurch ist ein platzsparendes sowie hysterese-armes Feder-Membran-System offenbart. Zur Reduktion der Einbauhöhe oder des Bauraumes wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, das elastische Element in der Art einer scheibenförmigen Blattfeder auszubilden. Zweckmäßigerweise besitzt die gezeigte Blattfeder eine kreisförmige Gestalt. Eine besonders hohe Rückstellkraft lässt sich beim elastischen Element dadurch erzielen, dass die Blattfeder ein vom Zentrum zum Randbereich der Blattfeder spiralförmig verlaufendes Federelement aufweist. Dadurch ist eine kompakte Ausgestaltung mit großer Federkraft gewährleistet.
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Zur Reduktion der Einbauhöhe der Meßvorrichtung wurde weiter vorgeschlagen, dass die Blattfeder neben der kreisförmigen Gestalt, zur Erzielung einer hohen Rückstellkraft ein vom Zentrum zum Randbereich der Blattfeder spiralförmig verlaufendes Federelement aufweist. Dadurch ist eine kompakte Ausgestaltung mit großer Federkraft gewährleistet.
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Es hat sich gezeigt, dass es mit den im Stand der Technik bekannten Lösungen schwierig ist, innerhalb des vorhandenen Bauraums und der Materialparameter eine Feder mit bestimmter und optimierter Kraft-Weg-Kennlinie zu realisieren. Die bekannten Lösungen benötigen vergleichsweise großen Bauraum und bieten eine unzureichende Anpassungsmöglichkeit an die gewünschte Federcharakteristik.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und eine optimierte Lösung einer Blattfeder bzw. Tellerfeder bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird daher eine Tellerfeder (Blattfeder), ausgebildet aus einem im Wesentlichen kreisförmigen, plattenförmigen Federblech vorgeschlagen, wobei das Federblech mehrere spiralförmig gebogene Federarme mit variabler Breite B ausbildet, die um ein Zentrum (Mitte) herum verlaufen.
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Bevorzugt ist eine Lösung, bei der sich die gebogenen Federarme über einen Bogenwinkel α erstrecken, der zwischen 120° und 310°, vorzugsweise zwischen 180° und 270°, weiter vorzugsweise zwischen 200° und 240° beträgt. Durch die Wahl des Winkels und die Breite der Federarme einerseits, sowie die Varianz der Breite der Federarme entlang ihrer bogenförmigen Erstreckung, lässt sich die Federcharakteristik der Tellerfeder gewünscht anpassen.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Designs der Federarme lassen sich insbesondere die folgenden Eigenschaften beeinflussen:
- - Spannungsreduzierung im Bauteil und demnach Steigerung der Bauteileffizienz (insbesondere bei einer Reduzierung der Breite um ca. 25% in der Federarmmitte)
- - Aufgrund des optimierten Designs und der Spannungsreduzierung ergibt sich die Möglichkeit mit einer verringerten Baugröße (kleinerer Radius) die gewünschte Federcharakteristik zu erzielen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Breite B eines, mehrere oder bevorzugt aller Federarme entlang des Bogenwinkels α, zumindest abschnittsweise oder über die gesamte Länge, zunimmt und/oder abnimmt.
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Besonders vorteilhaft hat sich eine Konzeption erwiesen, bei der die Breite B eines, mehrere oder aller Federarme entlang dessen Bogenwinkels α, zunächst abschnittsweise abnimmt und dann abschnittsweise wieder zunimmt und vorzugsweise am Beginn und Ende die gleiche Breite B besitzt. Weiter vorteilhaft ist es, wenn der jeweilige Federarm seine minimale Breite B in etwa der Mitte zwischen seinen beiden Federarmenden besitzt. Vorteilhafte Verhältnisse der Breiten sind nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beide Enden der jeweiligen Federarme jeweils integral und einstückig mit dem Federblech verbunden sind. Anders ausgedrückt, besitzen die Federarme kein freies Ende, sondern sind endseitig am Federblech angebunden bzw. integral verbunden.
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Vorteilhaft ist es, wenn zwischen den jeweiligen Federarmen in Radialrichtung R betrachtet jeweils ein entsprechend bogenförmiger Spalt über die gesamte Länge der jeweils gebogenen Federarme verläuft.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Federarme zumindest abschnittsweise oder vollständig entlang einer archimedischen Spirale oder einer Spirale mit zunehmendem Radius R erstreckt, so dass der Radius in Umlaufrichtung betrachtet nach außen zunimmt. Weiter vorteilhaft ist eine Lösung bei der die Federarme von innen nach außen in Radialrichtung R betrachtet, jeweils einen zunehmenden größeren Radius gegenüber dem jeweils weiter innen liegenden, spiralförmig geformten Federarm besitzen.
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Von Vorteil ist eine Ausgestaltung, bei der die Federarme nicht innerhalb der gesamten Fläche des Federtellers angebracht sind, sondern im Zentrum der Tellerfeder ein im Wesentlichen (etwa) kreisförmiger Federblechabschnitt vorhanden ist, an dem die radial weiter innenliegenden Enden der Federarme, vorzugsweise in äquidistantem Bogenwinkel, angeordnet sind.
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Als vorteilhaft hat sich auch ein Design erwiesen, bei dem das jeweils weiter innen liegende Ende der (in diesem Fall drei) Federarme in einem Bogenwinkel von 120° zueinander versetzt angeordnet sind. Das bedeutet, dass die drei Federarme ineinander verschachtelt, jeweils um den Winkel 120° versetzt verlaufen. Andere Federarmzahlen sind ebenfalls vom Konzept der Erfindung gedeckt und als Ausführungsbeispiel möglich.
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Der zwischen den Federarmen vorgesehenen bogenförmige Spalt besitzt mit Vorteil an seinem Anfang und/oder Ende eine zunehmende Breite mit nasenartiger Form. Diese endseitige Form kann als Nasenform, Tropfenform oder Birnenform ausgebildet sein.
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Die maximale Breite B der Federarme beträgt in einer bevorzugten Ausgestaltung etwa 2 - 4% der Federarmlänge, kann aber auch von diesen Maßen abweichen, wenn bestimmte Eigenschaften des Federtellers gezielt modifiziert werden sollen.
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Die Breite B der Federarme variiert bevorzugt in einem Bereich zwischen 20 - 30%, vorzugsweise etwa 25%.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 eine Aufsicht auf ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Tellerfeder,
- 2 eine Aufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tellerfeder,
- 3 eine Grafik, welche die Zusammenhänge der Breitenreduzierung der Federarme zur Spannungsreduzierung und Bauteilgröße aufzeigt.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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In den 1 und 2 sind beispielhafte Ausgestaltungen einer Tellerfeder 1 gezeigt. Diese Tellerfedern 1 bestehen aus einem im Wesentlichen kreisförmigen, plattenförmigen Federblech 10. Wie zu erkennen, besitzt das Federblech 10 jeweils drei spiralförmig gebogene Federarme 20. Die Federarme 20 besitzen ein erstes Federarmende 20a (innenliegend) und eine zweites Federarmende 20b (radial weiter außen liegend).
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Die Breite B der Federarme 20 ist nicht konstant, sondern die Breite B eines Federarms 20, nimmt zunächst entlang des Bogenwinkels α ab (hier von 0,8mm) auf ein Maß von 0,6mm und dann abschnittsweise wieder zu auf das Maß von 0,8mm. Der jeweilige Federarm 20 besitzt seine minimale Breite B (0,6mm) in etwa der Mitte zwischen seinen beiden Federarmenden 20a, 20b. Die beide Federarmenden 20a, 20b der jeweiligen Federarme 20 sind integral und einstückig mit dem Federblech 10 verbunden. Dies kann durch das Freistanzen des Federblechs unter Erzeugung der Spalte 30 erfolgen. Alternativ können auch Lasern oder Schneiden als Verfahren verwendet werden.
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Die gebogenen Federarme 20 erstrecken sich insgesamt über einen Bogenwinkel von etwa 270°.
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Weiter ist in den 1 und 2 zu erkennen, dass sich die Federarme 20 entlang einer Spirale mit zunehmendem Radius R erstrecken, wobei dies eine archimedische Spirale sein kann. Jedenfalls besitzen die drei Federarme 20 von innen nach außen in Radialrichtung R betrachtet, jeweils einen zunehmenden größeren Radius gegenüber dem jeweils weiter innen liegenden, spiralförmig geformten Federarm 20.
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Zentral besitzt die Tellerfeder 1 ein im wesentlichen kreisförmiger Federblechabschnitt 11 vorhanden ist, an dem die radial weiter innenliegenden Enden 20a der Federarme 20 in äquidistantem Bogenwinkel von 120° angeordnet sind.
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Die maximale Breite B der Federarme 20 mit ca. 0,8 mm beträgt etwa 3 % der Federarmlänge von 26,74 mm. Diese Abmessungen sind nur beispielhaft und können auch anders gewählt werden.
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Im Folgenden findet sich eine Tabelle 1 in Zusammenhang mit der
3, die die Veränderung der Spannung (mechanischer Stress) zu der Modifikation der Breite B in der Federarmmitte erläutert. Tabelle 1
| Breitenreduzierung B in % | 0% | 12,5 % | 25 % | 37,5% | 50 % |
| Beispiel Armbreite (Anfang/Niftte/Ende) | 0,8 / 0,8 / 0,8 [mm] | 0,8 / 0,7 / 0,8 [mm] | 0,8/ 0,6/ 0,8 [mm] | 0,8 / 0,5 / 0,8 [mm] | 0,8 / 0,4 / 0,8 [mm] |
| Spannungsverhältnis in % | 100% | 93,3% | 91,1 % | 97,7 % | 101,4 % |
| Spannungsreduzierung % | | -6,7% | -8,9% | -2,3% | +1,4% |
| Verhältnis des Außen-Radius % | 100% | 98,3 % | 96,2 % | 93,9 % | 91,5 % |
| Reduktion Außen-Radius % | | -1,7 % | -3,8 % | -6,1 % | -8,5% |
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In der Tabelle 1 und der 3 wird die Breite B der Federarme von 0% bis 50% in der Mitte variiert, das bedeutet jeweils an den Enden 0,8mm und in der Mitte beginnend von 0,8 mm bis 0,4mm. Gut zu erkennen ist, dass bei einer Reduzierung der Federarmbreite um 25% zur Mitte des Federarms 20 hin, die Spannungsreduzierung mit 8,9% maximal ist. Bei dieser Konfiguration kann man den Außenradius um 3,8% reduzieren.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. So betrifft die Erfindung auch eine Messvorrichtung aufweisend eine wie zuvor beschriebene erfindungsgemäße Tellerfeder.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008025045 A1 [0003]
- DE 68908697 T2 [0004]
- DE 1020100022428 A1 [0005]