DE10324344B4 - Druckfeder aus Verbundwerkstoff - Google Patents
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Abstract
Druckfeder
(20, 30, 52) mit mehreren Verbundwerkstoffwellenringen (12a, 12b,
32), die in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung übereinander
gelagert und miteinander verbunden sind, wobei
a. jeder der Wellenringe (12a, 12b, 32) mehrere alternierende Berge und Täler (14, 38, 16, 40) aufweist, wobei ein Berg (14, 38) und ein angrenzendes Tal (16, 40) eine Welle ausbilden, die eine Wellenhöhe (18, 42) aufweist, die in Axialrichtung von Berg (14, 38) zu Tal (16, 40) gemessen wird; und
b. die Wellenhöhen (18, 42) innerhalb der Wellenringe (32) oder zwischen den Wellenringen (12a, 12b) dergestalt variieren, dass die Druckfeder eine variierende Federkonstante aufweist, wenn die Druckfeder komprimiert wird.
a. jeder der Wellenringe (12a, 12b, 32) mehrere alternierende Berge und Täler (14, 38, 16, 40) aufweist, wobei ein Berg (14, 38) und ein angrenzendes Tal (16, 40) eine Welle ausbilden, die eine Wellenhöhe (18, 42) aufweist, die in Axialrichtung von Berg (14, 38) zu Tal (16, 40) gemessen wird; und
b. die Wellenhöhen (18, 42) innerhalb der Wellenringe (32) oder zwischen den Wellenringen (12a, 12b) dergestalt variieren, dass die Druckfeder eine variierende Federkonstante aufweist, wenn die Druckfeder komprimiert wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Feder, die in einem Federungssystem eines Fahrzeuges verwendet wird. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Druckfeder aus Verbundwerkstoffen, die aus mehreren Wellenringen hergestellt ist, die übereinander in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert sind.
- Traditionell werden Torsionsfedern aus Stahl zur Aufhängung und Dämpfung innerhalb eines Federungssystems verwendet. Torsionsfedern aus Stahl sind schwer und haben eine einheitliche Federkonstante, die jedoch nur innerhalb eines gewissen Bereichs von Kompressionskräften wirksam ist. Wenn die Kraft zu groß wird, liegen die Federwindungen aufeinander auf und die Feder blockiert. Wenn die Kraft zu klein ist, erlaubt die hohe Federkonstante der Feder nicht, dass die Feder zusammengepresst wird. Es besteht somit ein Bedürfnis für eine Druckfeder, die ein verringertes Gewicht aufweist, die Korrosionsbeständiger ist als herkömmliche Torsionsfedern aus Stahl und die verschiedene Federkonstanten unter Druckbelastung bereitstellen kann.
- Aus der
US 2,587,016 ist ein hydraulisches Dämpferelement bekannt, welches aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten Blechringen umfasst, die mit einer Wellenprägung versehen sind. Wird das Dämpferelement komprimiert, so verengen sich die Durchflussöffnungen zwischen den Wellenringen, so dass sich die Dämpfungseigenschaften des Dämpfungselements verändern. - Aus der
JP 080 21 471 A - Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Druckfeder anzugeben, die leich ter ausgebildet und resistenter gegen Korrosion ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine Druckfeder anzugeben, die mehrere Federkonstanten aufweist.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
-
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Feder, die eine Vielzahl von Wellenringen aufweist, die übereinander in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert sind; -
2 zeigt eine Seitenansicht von Wellenringen, die übereinander in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert sind; -
3a zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels; -
3b zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils von3a ; -
4a zeigt eine schematische Ansicht eines Paares von aneinander angrenzenden Wellen mit einem gestuften Profil; -
4b zeigt eine Ansicht ähnlich zu4a , bei der die Wellen komprimiert sind; -
4c zeigt eine schematische Ansicht eines Paares von aneinander angrenzenden Wellen mit einem glatten Profil; -
4d zeigt eine Ansicht ähnlich zu4b , bei der die Wellen unter einer Last komprimiert sind; -
4e zeigt eine Ansicht ähnlich zu4c , in der die Wellen unter einer größeren Last als in4c komprimiert sind; -
5a zeigt eine schematische Ansicht von zwei aneinander grenzenden Wellen eines zweiten Ausführungsbeispiels; -
5b zeigt eine Ansicht, ähnlich zu5a , wobei die Wellen unter einer Last komprimiert sind; -
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels; -
7 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 8-8 von6 , die einen Wellenscheitel auf Wellenscheitel-Berührungspunkt von zwei flachen Wellenringen darstellt; -
8 zeigt eine Ansicht ähnlich zu7 , wobei die Wellenringe Merkmale aufweisen, die die Wellenringe selbst ausrichtend ausgestalten, wenn sie aufeinander gelagert werden; -
9a und9b sind Seitenansichten von einzelnen Wellenringen mit längs ihres Umfangs variierenden Dicken; und -
10 ist ein Querschnitt einer Druckfeder, bei der die Feder in ein Umhüllungsmaterial eingebettet ist. - Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung soll die Erfindung nicht auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränken. Vielmehr soll sie dem Fachmann ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu benutzen.
-
1 zeigt allgemein eine Druckfeder10 . Die Druckfeder10 umfasst mehrere Wellenringe12 , die übereinander in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert sind. In2 ist dargestellt, dass die Wellenringe12 jeweils einstückig aus einem Verbundwerkstoff gebildet sind und mehrere Wellen definieren. Vorzugsweise umfassen die Wellenringe12 einen Polymeren Werkstoff, beispielsweise Plastik, der insbesondere verstärkt sein kann. Alternativ umfassen sie einen anderen geeigneten Verbundwerkstoff. Die Wellenringe12 werden vorzugsweise durch Kunststoffgießverfahren geeignet geformt. Jede Welle weist einen Wellenberg14 und ein Wellental16 auf. Der axiale Abstand, gemessen vom Berg14 zum Tal16 definiert die Wellenhöhe18 der Welle. - Bezug nehmend auf
3a wird ein erstes Ausführungsbeispiel erläutert, welches eine Druckfeder20 zeigt, die mehrere Wellenringe12a ,12b umfasst, wobei innerhalb eines Wellenrings12a ,12b die Wellen eine konstante Wellenhöhe18a ,18b aufweisen. Jedoch variiert die Wellenhöhe18a ,18b der Wellen zwischen den Wellenringen12a und12b . Wie dargestellt, umfasst die Druckfeder20 einen ersten Abschnitt22 mit mehreren Wellenringen12a und einen zweiten Abschnitt24 mit mehreren Wellenringen12b . In3b weisen die Wellenringe12a des ersten Abschnitts22 eine erste Wellenhöhe18a auf und die Wellenringe12b des zweiten Abschnitts24 eine zweite Wellenhöhe18b . Wie in3a dargestellt, bildet die Druckfeder20 einen zentralen Abschnitt aus, der aus dem ersten Abschnitt22 besteht. Weiterhin weist die Druckfeder20 gegenüberliegende Endbereiche auf, die mit den zweiten Abschnitten24 zusammenfallen. Die Wellenhöhe18b der Wellenringe12b im zweiten Abschnitt24 ist geringer als die Wellenhöhe18a der Wellenringe12a im ersten Abschnitt22 . - Die flachen Wellen des Wellenrings
12b innerhalb des zweiten Abschnitts24 sind weniger steif als die höheren Wellenringe12a des ersten Abschnitts22 . Daher werden beim Zusammenpressen der Druckfeder20 zuerst die Wellenringe12b innerhalb des zweiten Abschnitts24 zusammengedrückt, bevor die Wellenringe12a innerhalb des ersten Abschnittes22 zusammengedrückt werden. Bei einer weiteren Erhöhung der Kompressionskräfte auf die Druckfeder20 erreichen die Wellenringe12b innerhalb des zweiten Abschnittes24 einen Punkt, an dem die Wellen nicht weiter zusammengepresst werden können, so dass sich der zweite Abschnitt24 wie ein fester Körper ohne Federeigenschaften verhalten wird. Bei noch weiterer Erhöhung der Kompressionskräfte auf die Druckfeder20 werden dann die Wellenringe12a innerhalb des ersten Abschnittes22 zusammengedrückt. - Indem eine Mehrzahl von einzelnen Abschnitten
22 ,24 von Wellenringen12a ,12b mit unterschiedlichen Wellenhöhen18a ,18b vorgesehen werden, kann die Druckfeder20 so konfiguriert werden, dass sie mehrere Federkonstanten aufweist. Wie oben beschrieben, stellt die Druckfeder20 eine erste Federkonstante bereit, wenn die Wellenringe12b innerhalb des zweiten Abschnitts24 komprimiert werden. Bei höheren Kompressionskräften liegen die Wellenringe12b innerhalb des zweiten Abschnittes24 aufeinander und die Wellenringe12a des ersten Abschnittes20 , die steifer sind, beginnen komprimiert zu werden. Darüber hinaus kann die Druckfeder gemäß des ersten Ausführungsbeispiels20 mit beliebiger Anzahl von einzelnen Abschnitten22 ,24 ausgeführt werden, die Wellenringe12 mit verschiedenen Wellenhöhen18 ,18a ,18b aufweisen, wodurch ein breiter Bereich von wirksamen Federkonstanten bereitgestellt werden kann. - Jeder einzelne Wellenring
12 , der zusammengepresst wird, kann während des Zusammenpressens entweder eine duale Federkonstante oder eine variable Federkonstante aufweisen. Bezug nehmend auf4a wird schematisch ein Paar von aneinander angrenzenden ausgerichteten Wellenringen12 gezeigt. Jeder der Wellenringe12 weist eine wirksame Federlänge26 auf. Wenn die Wellenringe12 zusammengepresst werden, beginnen die Wellen zusammengepresst zu werden, wobei Teile der Wellenringe12 in Kontakt zueinander kommen. Dadurch wird die flexible Länge der Wellen der Federn reduziert, wodurch sich eine verkürzte wirksame Federlänge26b einstellt, wie in4b gezeigt ist. Wenn die Wellen auf diese verkürzte effektive Federlänge26b zusammengepresst werden, erhöht sich die Steifheit der Wellen. Wie in den4a und4b dargestellt, können die Wellen ein gestuftes Profil aufweisen, wobei die effektive Länge26 der Wellen nur um eine bestimmte Länge verkürzt werden kann, wodurch eine duale Federkonstante bereitgestellt wird. Alternativ können die Wellen ein glattes Profil aufweisen, wodurch sich bei einer Erhöhung der Last die effektive Länge28 kontinuierlich verringert, wie in den4c bis4e gezeigt ist. Unter einer erhöhten Last weisen die Wellen eine kürzere wirksame Länge28b auf, wie in4d gezeigt ist, wobei die Wellen unter einer noch größeren Last eine noch kürzere wirksame Länge28c aufweisen, wie in4e gezeigt ist. Hierdurch wird eine variable Federkonstante bereitgestellt, die sich bei einer Kompression der Wellenringe12 verändert. - In einem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die erfindungsgemäße Druckfeder
30 Wellenringe32 mit Wellen mit variierenden Wellenhöhen, um bei einer Kompression der Druckfeder eine duale Federkonstante zu erreichen. Bezug nehmend auf5a wird ein schematisches Wellenprofil von zwei angrenzenden Wellenringen32 gezeigt. Jeder der Wellenringe32 weist mehrere primäre Wellen36 auf, die jeweils einen Scheitel38 und ein Tal40 umfassen, und eine Wellenhöhe42 der primären Welle36 definieren. Jede der primären Wellen36 umfasst eine sekundäre Welle44 , die zwischen dem Scheitel38 und dem Tal40 der primären Welle36 eingebettet ist. Jede der sekundären Wellen44 umfasst einen Scheitel46 und ein Tal48 , die eine Wellenhöhe50 definieren. Die Wellenringe32 sind übereinander in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert, wobei nur die Scheitel38 und Täler40 der primären Wellen36 in Kontakt miteinander stehen. - Wenn auf die Druckfeder
30 eine Kraft ausgeübt wird, werden die primären Wellen36 eine erste Federkonstante aufweisen, wie in5a gezeigt. Schließlich werden die primären Wellen36 bis zu einem Punkt komprimiert, an dem die sekundären Wellen44 in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung aufeinander zu liegen kommen, ähnlich zu den primären Wellen36 , wie in5b gezeigt. Dieser Kontakt der sekundären Wellen44 bewirkt eine Zunahme der Steifheit der Druckfeder30 , so dass die Druckfeder30 bei weiterer Erhöhung der Last eine zweite Federkonstante aufweist. - In beiden Ausführungsbeispielen können die angrenzenden Wellenringe
12a ,12b ,32 an entweder einem oder mehreren Wellenscheitel-auf-Wellen-scheitel-Berührungspunkten miteinander verbunden sein. Wenn zwei angrenzende Wellenringe12a ,12b ,32 an nur einem Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührungspunkt miteinander verbunden sind, dann können sich die Wel lenringe12a ,12b ,32 bei einer Kompression einfacher verformen. Wenn hingegen zwei angrenzende Wellenringe12a ,12b ,32 an allen Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührungspunkten miteinander verbunden sind, dann können sich die Wellenringe12a ,12b ,32 bei einer Kompression weniger leicht verformen, so dass sie insgesamt steifer sind und eine höhere Federkonstante aufweisen. - Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in
6 dargestellt und wird mit52 bezeichnet. In dem dritten Ausführungsbeispiel52 sind zwischen angrenzenden Wellenringen12a ,12b Zwischenringe54 angeordnet. Ein solcher Zwischenring54 kann entweder flach ausgebildet sein oder gewellt sein, wobei die Wellenhöhe des Zwischenrings54 geringer ist als die Wellenhöhe18 der Wellenringe12a ,12b . Der Zwischenring54 beeinflusst die Federdynamik der Druckfeder52 . Der Zwischenring54 kann dabei aus demselben Material hergestellt sein wie die Wellenringe12a ,12b , wobei die Anwesenheit des Zwischenringes54 die Federkonstante der Druckfeder52 verändert. Alternativ kann der Zwischenring54 auch aus einem Material hergestellt sein, das kompressibel ist, wobei der Zwischenring54 als Dämpfer zwischen den Wellenringen12a ,12b wirkt. - In allen Ausführungsbeispielen
20 ,30 ,52 wird für die Wellenringe12a ,12b und32 vorzugsweise eine ungerade Anzahl von Wellen verwendet. In dem zweiten Ausführungsbeispiel30 weisen die Wellenringe32 eine ungerade Anzahl von primären Wellen36 auf. Die Gesamtanzahl der Wellen36 ,44 ist jedoch gerade, da jede primäre Welle36 eine darin angeordnete sekundäre Welle44 umfasst. Die Anzahl der primären Wellen36 insgesamt ist hingegen ungerade. - In einer Abwandlung aller Ausführungsbeispiele
20 ,30 ,52 können die Wellenringe12a ,12b ,32 Merkmale aufweisen, die es den Wellenringen12a ,12b ,32 ermöglichen, ineinander einzugreifen. Diese Merkmale ermöglichen eine Selbst-Ausrichtung der Wellenringe12a ,12b ,32 wenn sie übereinander gelagert werden. In7 ist ein Querschnitt (längs der Linie 8-8 aus6 ) eines Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührpunkts zwischen zwei Wellenringen12 dargestellt, wobei jeder der Wellenringe12 flach ausgebildet ist. In8 ist ein Querschnitt eines Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührpunkts zwischen zwei Wellenringen12 dargestellt, wobei jeder Wellenring12 eine Erhöhung aufweist, die längs des Umfangs der Wellenringe12 ausgebildet ist. Diese Erhöhung bildet eine erhöhte Rippe58 auf der Oberseite der Wellenringe12 und eine Nut60 auf der Unterseite der Wellenringe12 . Wenn die Wellenringe12 übereinander in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert werden, passt die Rippe58 auf der Oberseite eines Wellenrings12 in die unterseitige Nut60 des angrenzenden Wellenringes12 . Durch den Eingriff der Rippen58 in die Nuten60 wird eine Radialführung der der Wellenringe12 erreicht, so dass die Wellenringe12 relativ gegeneinander ausgerichtet bleiben. - Vorzugsweise weisen die Wellenringe
12 eine gleichmäßige Dicke auf, wie in2 dargestellt ist. Alternativ kann jedoch die Dicke der Wellenringe12 ringförmig um den Wellenring herum variieren, wie in den9a und9b dargestellt ist. Durch die Variation der Dicke der Wellenringe12 kann die Dynamik der Feder beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Dicke der Wellenringe12 dergestalt variieren, dass die Wellenringe12 an den Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührungspunkten eine erste Dicke62 aufweisen und sich graduell auf eine zweite Dicke62a verringern, die geringer als die erste Dicke62 , wie in9a dargestellt. Alternativ können die Wellenringe12 an den Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührungspunkten eine erste Dicke64 aufweisen und sich graduell auf eine zweite Dicke64a verdicken, die größer ist als die erste Dicke64 , wie in der9b dargestellt ist. - Bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Druckfeder
20 ,30 ,52 unter aggressiven Umwelteinflüssen, insbesondere in einem Fahrzeug, ist es wünschenswert, die Druckfeder20 ,30 ,52 vor einer Beschädigung durch Schmutz zu schützen und insbesondere zu verhindern, dass Schmutz zwischen die Wellen gerät. Gemäß10 kann eine Druckfeder20 ,30 ,52 gemäß aller vorstehenden Ausführungsbeispiele von einem Material70 ummantelt sein, das eine Kompression der Wellen ermöglicht, jedoch verhindert, dass Schmutz in die Druckfeder20 ,30 ,52 eindringt und sich zwischen den Wellen festsetzt. Vorzugsweise ist das Material70 leicht ausgebildet und lässt sich leicht komprimieren. Das Material70 kann jedoch auch ein anderes flexibles Material sein, das eine Kompression erlaubt und darüber hinaus eine Dämpfung bereitstellt. - Die vorstehende Diskussion offenbart und beschreibt mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele. Der Fachmann wird jedoch leicht aus dieser Diskussion und von den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen erkennen, dass Veränderungen und Modifikationen an den Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne den von den nachfolgenden Ansprüchen definierten Erfindungsgegenstand zu verlassen. Die bevorzugten Ausführungsbeispiele sind beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Auch die zur Beschreibung der Erfindung verwendete Terminologie soll stets beispielhaft und nicht einschränkend verstanden werden.
Claims (9)
- Druckfeder (
20 ,30 ,52 ) mit mehreren Verbundwerkstoffwellenringen (12a ,12b ,32 ), die in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung übereinander gelagert und miteinander verbunden sind, wobei a. jeder der Wellenringe (12a ,12b ,32 ) mehrere alternierende Berge und Täler (14 ,38 ,16 ,40 ) aufweist, wobei ein Berg (14 ,38 ) und ein angrenzendes Tal (16 ,40 ) eine Welle ausbilden, die eine Wellenhöhe (18 ,42 ) aufweist, die in Axialrichtung von Berg (14 ,38 ) zu Tal (16 ,40 ) gemessen wird; und b. die Wellenhöhen (18 ,42 ) innerhalb der Wellenringe (32 ) oder zwischen den Wellenringen (12a ,12b ) dergestalt variieren, dass die Druckfeder eine variierende Federkonstante aufweist, wenn die Druckfeder komprimiert wird. - Druckfeder (
20 ,30 ,52 ) nach Anspruch 1, bei der aneinander angrenzende Wellenringe (12a ,12b ,32 ) an einem Tal (16 ,40 ) eines Wellenringes (12a ,12b ,32 ) und einem Berg (14 ,38 ) des angrenzenden Wellenringes (12a ,12b ,32 ) miteinander verbunden sind. - Druckfeder (
52 ) nach Anspruch 1, wobei ein Zwischenring (54 ) zwischen zwei aneinander angrenzenden Wellenringen (12a ,12b ) positioniert ist. - Druckfeder (
20 ,30 ,52 ) nach Anspruch 1, wobei jeder der Wellenringe (12a ,12b ,32 ) eine ungerade Anzahl von Wellen aufweist. - Druckfeder nach Anspruch 1, bei der jeder der Wellenringe (
12 ) eine in dem Wellenring (12 ) ausgeformte Erhöhung (58 ,60 ) aufweist, die zur eingreifenden Verbindung der Oberseite eines Wellenringes (12 ) mit der Unterseite eines angrenzenden Wellenringes (12 ) vorgesehen ist, wodurch die Wellenringe (12 ) selbst ausrichtend ausgebildet sind. - Druckfeder (
20 ,30 ,52 ) nach Anspruch 1, bei der die Wellenringe (12 ,12a ,12b ,32 ) eine längs ihres Umfangs gleichmäßige Dicke aufweisen. - Druckfeder nach Anspruch 1, bei der die Wellenringe (
12 ) eine längs ihres Umfangs variierende Dicke aufweisen. - Druckfeder (
20 ,52 ) nach Anspruch 1, mit einer ersten Mehrzahl (22 ) von Wellenringen (12a ) mit Wellen einer ersten Wellenhöhe (18a ) und einer zweiten Mehrzahl (24 ) von Wellenringen (12b ) mit Wellen einer zweiten Wellenhöhe (18b ), wobei die erste Wellenhöhe (18a ) größer ist als die zweite Wellenhöhe (18b ). - Druckfeder (
30 ) nach Anspruch 1, wobei die Wellenringe (32 ) Wellen mit variierenden Wellenhöhen (42 ,50 ) umfassen.
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