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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.
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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.
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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.
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Aus
der
JP 080 21 471 A ist
ein Federelement bekannt, welches eine Torsionsfeder umfasst, die
aus einem Metallblech gefertigt ist. In die Zwischenräume zwischen
den Windungen der Torsionsfeder sind Blechringe eingefügt, die
mit einer Wellenprägung
versehen sind. Das Federelement weist den Vorteil einer konstanten
Bauhöhe
bei einer Verdrehung des Federelements auf.
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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.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
anhand bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft erläutert.
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1 zeigt eine perspektivische
Ansicht einer Feder, die eine Vielzahl von Wellenringen aufweist,
die übereinander
in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert sind;
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2 zeigt eine Seitenansicht
von Wellenringen, die übereinander
in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert sind;
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3a zeigt eine perspektivische
Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels;
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3b zeigt eine vergrößerte Ansicht
eines Teils von 3a;
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4a zeigt eine schematische
Ansicht eines Paares von aneinander angrenzenden Wellen mit einem
gestuften Profil;
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4b zeigt eine Ansicht ähnlich zu 4a, bei der die Wellen komprimiert
sind;
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4c zeigt eine schematische
Ansicht eines Paares von aneinander angrenzenden Wellen mit einem
glatten Profil;
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4d zeigt eine Ansicht ähnlich zu 4b, bei der die Wellen unter
einer Last komprimiert sind;
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4e zeigt eine Ansicht ähnlich zu 4c, in der die Wellen unter
einer größeren Last
als in 4c komprimiert
sind;
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5a zeigt eine schematische
Ansicht von zwei aneinander grenzenden Wellen eines zweiten Ausführungsbeispiels;
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5b zeigt eine Ansicht, ähnlich zu 5a, wobei die Wellen unter einer
Last komprimiert sind;
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6 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels;
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7 zeigt einen Querschnitt
entlang der Linie 8-8 von 6,
die einen Wellenscheitel auf Wellenscheitel-Berührungspunkt von zwei flachen
Wellenringen darstellt;
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8 zeigt eine Ansicht ähnlich zu 7, wobei die Wellenringe
Merkmale aufweisen, die die Wellenringe selbst ausrichtend ausgestalten,
wenn sie aufeinander gelagert werden;
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9a und 9b sind Seitenansichten von einzelnen
Wellenringen mit längs
ihres Umfangs variierenden Dicken; und
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10 ist ein Querschnitt einer
Druckfeder, bei der die Feder in ein Umhüllungsmaterial eingebettet
ist.
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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.
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1 zeigt allgemein eine Druckfeder 10. Die
Druckfeder 10 umfasst mehrere Wellenringe 12, die übereinander
in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert sind.
In 2 ist dargestellt,
dass die Wellenringe 12 jeweils einstückig aus einem Verbundwerkstoff
gebildet sind und mehrere Wellen definieren. Vorzugsweise umfassen
die Wellenringe 12 einen Polymeren Werkstoff, beispielsweise
Plastik, der insbesondere verstärkt
sein kann. Alternativ umfassen sie einen anderen geeigneten Verbundwerkstoff.
Die Wellenringe 12 werden vorzugsweise durch Kunststoffgießverfahren
geeignet geformt. Jede Welle weist einen Wellenberg 14 und
ein Wellental 16 auf. Der axiale Abstand, gemessen vom Berg 14 zum
Tal 16 definiert die Wellenhöhe 18 der Welle.
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Bezug
nehmend auf 3a wird
ein erstes Ausführungsbeispiel
erläutert,
welches eine Druckfeder 20 zeigt, die mehrere Wellenringe 12a, 12b umfasst,
wobei innerhalb eines Wellenrings 12a, 12b die Wellen
eine konstante Wellenhöhe 18a, 18b aufweisen.
Jedoch variiert die Wellenhöhe 18a, 18b der Wellen
zwischen den Wellenringen 12a und 12b. Wie dargestellt,
umfasst die Druckfeder 20 einen ersten Abschnitt 22 mit
mehreren Wellenringen 12a und einen zweiten Abschnitt 24 mit
mehreren Wellenringen 12b. In 3b weisen die Wellenringe 12a des
ersten Abschnitts 22 eine erste Wellenhöhe 18a auf und die
Wellenringe 12b des zweiten Abschnitts 24 eine zweite
Wellenhöhe 18b.
Wie in 3a dargestellt, bildet
die Druckfeder 20 einen zentralen Abschnitt aus, der aus
dem ersten Abschnitt 22 besteht. Weiterhin weist die Druckfeder 20 gegenüberliegende Endbereiche
auf, die mit den zweiten Abschnitten 24 zusammenfallen.
Die Wellenhöhe 18b der
Wellenringe 12b im zweiten Abschnitt 24 ist geringer
als die Wellenhöhe 18a der
Wellenringe 12a im ersten Abschnitt 22.
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Die
flachen Wellen des Wellenrings 12b innerhalb des zweiten
Abschnitts 24 sind weniger steif als die höheren Wellenringe 12a des
ersten Abschnitts 22. Daher werden beim Zusammenpressen der
Druckfeder 20 zuerst die Wellenringe 12b innerhalb
des zweiten Abschnitts 24 zusammengedrückt, bevor die Wellenringe 12a innerhalb
des ersten Abschnittes 22 zusammengedrückt werden. Bei einer weiteren
Erhöhung
der Kompressionskräfte
auf die Druckfeder 20 erreichen die Wellenringe 12b innerhalb
des zweiten Abschnittes 24 einen Punkt, an dem die Wellen
nicht weiter zusammengepresst werden können, so dass sich der zweite
Abschnitt 24 wie ein fester Körper ohne Federeigenschaften
verhalten wird. Bei noch weiterer Erhöhung der Kompressionskräfte auf
die Druckfeder 20 werden dann die Wellenringe 12a innerhalb
des ersten Abschnittes 22 zusammengedrückt.
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Indem
eine Mehrzahl von einzelnen Abschnitten 22, 24 von
Wellenringen 12a, 12b mit unterschiedlichen Wellenhöhen 18a, 18b vorgesehen
werden, kann die Druckfeder 20 so konfiguriert werden, dass
sie mehrere Federkonstanten aufweist. Wie oben beschrieben, stellt
die Druckfeder 20 eine erste Federkonstante bereit, wenn
die Wellenringe 12b innerhalb des zweiten Abschnitts 24 komprimiert
werden. Bei höheren
Kompressionskräften
liegen die Wellenringe 12b innerhalb des zweiten Abschnittes 24 aufeinander
und die Wellenringe 12a des ersten Abschnittes 20,
die steifer sind, beginnen komprimiert zu werden. Darüber hinaus
kann die Druckfeder gemäß des ersten
Ausführungsbeispiels 20 mit
beliebiger Anzahl von einzelnen Abschnitten 22, 24 ausgeführt werden,
die Wellenringe 12 mit verschiedenen Wellenhöhen 18, 18a, 18b aufweisen,
wodurch ein breiter Bereich von wirksamen Federkonstanten bereitgestellt
werden kann.
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Jeder
einzelne Wellenring 12, der zusammengepresst wird, kann
während
des Zusammenpressens entweder eine duale Federkonstante oder eine
variable Federkonstante aufweisen. Bezug nehmend auf 4a wird schematisch ein
Paar von aneinander angrenzenden ausgerichteten Wellenringen 12 gezeigt.
Jeder der Wellenringe 12 weist eine wirksame Federlänge 26 auf.
Wenn die Wellenringe 12 zusammengepresst werden, beginnen
die Wellen zusammengepresst zu werden, wobei Teile der Wellenringe 12 in
Kontakt zueinander kommen. Dadurch wird die flexible Länge der
Wellen der Federn reduziert, wodurch sich eine verkürzte wirksame
Federlänge 26b einstellt,
wie in 4b gezeigt ist.
Wenn die Wellen auf diese verkürzte
effektive Federlänge 26b zusammengepresst
werden, erhöht
sich die Steifheit der Wellen. Wie in den 4a und 4b dargestellt,
können
die Wellen ein gestuftes Profil aufweisen, wobei die effektive Länge 26 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 Länge 28 kontinuierlich
verringert, wie in den 4c bis 4e gezeigt ist. Unter einer
erhöhten
Last weisen die Wellen eine kürzere
wirksame Länge 28b auf,
wie in 4d gezeigt ist,
wobei die Wellen unter einer noch größeren Last eine noch kürzere wirksame
Länge 28c aufweisen,
wie in 4e gezeigt ist. Hierdurch
wird eine variable Federkonstante bereitgestellt, die sich bei einer
Kompression der Wellenringe 12 verändert.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
umfasst die erfindungsgemäße Druckfeder 30 Wellenringe 32 mit
Wellen mit variierenden Wellenhöhen, um
bei einer Kompression der Druckfeder eine duale Federkonstante zu
erreichen. Bezug nehmend auf 5a wird
ein schematisches Wellenprofil von zwei angrenzenden Wellenringen 32 gezeigt.
Jeder der Wellenringe 32 weist mehrere primäre Wellen 36 auf, die
jeweils einen Scheitel 38 und ein Tal 40 umfassen,
und eine Wellenhöhe 42 der
primären
Welle 36 definieren. Jede der primären Wellen 36 umfasst
eine sekundäre
Welle 44, die zwischen dem Scheitel 38 und dem
Tal 40 der primären
Welle 36 eingebettet ist. Jede der sekundären Wellen 44 umfasst
einen Scheitel 46 und ein Tal 48, die eine Wellenhöhe 50 definieren.
Die Wellenringe 32 sind übereinander in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung
gelagert, wobei nur die Scheitel 38 und Täler 40 der
primären
Wellen 36 in Kontakt miteinander stehen.
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Wenn
auf die Druckfeder 30 eine Kraft ausgeübt wird, werden die primären Wellen 36 eine
erste Federkonstante aufweisen, wie in 5a gezeigt. Schließlich werden die primären Wellen 36 bis
zu einem Punkt komprimiert, an dem die sekundären Wellen 44 in einer
Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung aufeinander zu liegen
kommen, ähnlich
zu den primären
Wellen 36, wie in 5b gezeigt.
Dieser Kontakt der sekundären
Wellen 44 bewirkt eine Zunahme der Steifheit der Druckfeder 30,
so dass die Druckfeder 30 bei weiterer Erhöhung der
Last eine zweite Federkonstante aufweist.
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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 Wellenringe 12a, 12b, 32 an
nur einem Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührungspunkt
miteinander verbunden sind, dann können sich die Wel lenringe 12a, 12b, 32 bei
einer Kompression einfacher verformen. Wenn hingegen zwei angrenzende
Wellenringe 12a, 12b, 32 an allen Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührungspunkten
miteinander verbunden sind, dann können sich die Wellenringe 12a, 12b, 32 bei
einer Kompression weniger leicht verformen, so dass sie insgesamt
steifer sind und eine höhere
Federkonstante aufweisen.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
ist in 6 dargestellt
und wird mit 52 bezeichnet. In dem dritten Ausführungsbeispiel 52 sind
zwischen angrenzenden Wellenringen 12a, 12b Zwischenringe 54 angeordnet.
Ein solcher Zwischenring 54 kann entweder flach ausgebildet
sein oder gewellt sein, wobei die Wellenhöhe des Zwischenrings 54 geringer
ist als die Wellenhöhe 18 der
Wellenringe 12a, 12b. Der Zwischenring 54 beeinflusst
die Federdynamik der Druckfeder 52. Der Zwischenring 54 kann
dabei aus demselben Material hergestellt sein wie die Wellenringe 12a, 12b,
wobei die Anwesenheit des Zwischenringes 54 die Federkonstante
der Druckfeder 52 verändert.
Alternativ kann der Zwischenring 54 auch aus einem Material
hergestellt sein, das kompressibel ist, wobei der Zwischenring 54 als
Dämpfer zwischen
den Wellenringen 12a, 12b wirkt.
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In
allen Ausführungsbeispielen 20, 30, 52 wird
für die
Wellenringe 12a, 12b und 32 vorzugsweise
eine ungerade Anzahl von Wellen verwendet. In dem zweiten Ausführungsbeispiel 30 weisen
die Wellenringe 32 eine ungerade Anzahl von primären Wellen 36 auf.
Die Gesamtanzahl der Wellen 36, 44 ist jedoch
gerade, da jede primäre
Welle 36 eine darin angeordnete sekundäre Welle 44 umfasst.
Die Anzahl der primären
Wellen 36 insgesamt ist hingegen ungerade.
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In
einer Abwandlung aller Ausführungsbeispiele 20, 30, 52 können die
Wellenringe 12a, 12b, 32 Merkmale aufweisen,
die es den Wellenringen 12a, 12b, 32 ermöglichen,
ineinander einzugreifen. Diese Merkmale ermöglichen eine Selbst-Ausrichtung
der Wellenringe 12a, 12b, 32 wenn sie übereinander
gelagert werden. In 7 ist
ein Querschnitt (längs
der Linie 8-8 aus 6)
eines Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührpunkts zwischen zwei Wellenringen 12 dargestellt,
wobei jeder der Wellenringe 12 flach ausgebildet ist. In 8 ist ein Querschnitt eines
Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührpunkts zwischen zwei Wellenringen 12 dargestellt,
wobei jeder Wellenring 12 eine Erhöhung aufweist, die längs des
Umfangs der Wellenringe 12 ausgebildet ist. Diese Erhöhung bildet
eine erhöhte Rippe 58 auf
der Oberseite der Wellenringe 12 und eine Nut 60 auf
der Unterseite der Wellenringe 12. Wenn die Wellenringe 12 übereinander
in einer Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Anordnung gelagert werden,
passt die Rippe 58 auf der Oberseite eines Wellenrings 12 in
die unterseitige Nut 60 des angrenzenden Wellenringes 12.
Durch den Eingriff der Rippen 58 in die Nuten 60 wird
eine Radialführung
der der Wellenringe 12 erreicht, so dass die Wellenringe 12 relativ
gegeneinander ausgerichtet bleiben.
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Vorzugsweise
weisen die Wellenringe 12 eine gleichmäßige Dicke auf, wie in 2 dargestellt ist. Alternativ
kann jedoch die Dicke der Wellenringe 12 ringförmig um
den Wellenring herum variieren, wie in den 9a und 9b dargestellt
ist. Durch die Variation der Dicke der Wellenringe 12 kann
die Dynamik der Feder beeinflusst werden. Beispielsweise kann die
Dicke der Wellenringe 12 dergestalt variieren, dass die
Wellenringe 12 an den Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührungspunkten
eine erste Dicke 62 aufweisen und sich graduell auf eine
zweite Dicke 62a verringern, die geringer als die erste
Dicke 62, wie in 9a dargestellt.
Alternativ können
die Wellenringe 12 an den Wellenscheitel-auf-Wellenscheitel-Berührungspunkten
eine erste Dicke 64 aufweisen und sich graduell auf eine
zweite Dicke 64a verdicken, die größer ist als die erste Dicke 64,
wie in der 9b dargestellt
ist.
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Bei
der Verwendung einer erfindungsgemäßen Druckfeder 20, 30, 52 unter
aggressiven Umwelteinflüssen,
insbesondere in einem Fahrzeug, ist es wünschenswert, die Druckfeder 20, 30, 52 vor
einer Beschädigung
durch Schmutz zu schützen
und insbesondere zu verhindern, dass Schmutz zwischen die Wellen
gerät.
Gemäß 10 kann eine Druckfeder 20, 30, 52 gemäß aller
vorstehenden Ausführungsbeispiele
von einem Material 70 ummantelt sein, das eine Kompression
der Wellen ermöglicht, jedoch
verhindert, dass Schmutz in die Druckfeder 20, 30, 52 eindringt
und sich zwischen den Wellen festsetzt. Vorzugsweise ist das Material 70 leicht
ausgebildet und lässt
sich leicht komprimieren. Das Material 70 kann jedoch auch
ein anderes flexibles Material sein, das eine Kompression erlaubt
und darüber hinaus
eine Dämpfung
bereitstellt.
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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.