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Drehfeder, insbesondere für Kraftfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich
auf eine Drehfeder, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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Eine Drehstabfeder mit einem Rohrquerschnitt hat den Vorteil, daß
die Materialausnutzung nahezu 100% beträgt. Für schwingende (Dauer-) Beanspruchungen
ist das Rohr jedoch ungeeignet, da seine Innenseite - bei tragbaren Kosten - sich
nicht bearbeiten und verfestigen läßt, somit seine Dauerfestigkeit sehr gering ist.
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Bei einem Vollstab als Drehfeder liegen die Verhältnisse umgekehrt.
Die Materialausnutzung (der Gewichtsnutzwert) ist gegenüber dem Rohr nur halb so
groß. Dagegen läßt sich durch entsprechende Oberflächenbearbeitung und Oberflächenverfestigung
eine hohe Dauerfestigkeit erreichen.
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Zweck der Erfindung ist, die Vorteile des Rohrfederquerschnitts auszunutzen,
ohne seine Nachteile voll in Kauf nehmen zu müssen.
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Da entsprechend dem Dauerfestigkeits-Schaubild (Dauerfestigkeit über
der Mittelspannung aufgetragen) die Wechselspannung (der zulässige Spannungsausschlag)
mit wachsender Mittelspannung abnimmt, kann man die größtmögliche Wechselspannung
nur dann ausnutzen, wenn man eine Vorspannung etwa gleich der mittleren Betriebsspannung
in entgegengesetzter Richtung vorsieht.
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Um eine solche Vorspannung zu erreichen, sieht die Erfindung folgende
beide Lösungen vor: Entweder besteht die Drehfeder in an sich bekannter Weise aus
einem Drehfederrohr und einem Drehfederstab, wobei erfindungsgemäß das Drehfederrohr
und der Drehfederstab wirkungsmäßig parallel geschaltet und in unbelastetem Zustand
gegeneinander verspannt sind, derart, daß das Rohr entgegengesetzt zur Arbeitsrichtung
und der Stab in Arbeitsrichtung eine Torsionsvorspannung besitzt, oder die Drehfeder
besteht nur aus einem Drehfederrohr, in dem durch Verdrehen entgegengesetzt zur
Arbeitsrichtung über die Fließgrenze hinaus ein Eigenspannungszustand aufgebaut
ist (Vorsetzen bzw. Plastizieren in entgegengesetzter Arbeitsrichtung).
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Auf diese Weise wird erreicht, daß die z. B. im Fahrbetrieb eines
Kraftfahrzeuges auftretenden Arbeitsbelastungen im Rohr zunächst die aufgedrückten
Torsionsvorspannungen abbauen und somit die Dauerbeanspruchungen in einem niedrigeren
Bereich bleiben.
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Die erfindungsgemäße Drehfeder läßt sich mit weniger Materialaufwand,
vermindertem Gewicht und geringeren Kosten bauen.
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Bekannte, aus einem Drehfederrohr und einem Drehfederstab bestehende
Drehfedern, bei denen der Stab konzentrisch im Drehfederrohr sitzt, unterscheiden
sich von der Erfindung dadurch, daß Stab und Rohr wirkungsmäßig nicht parallel,
sondern hintereinandergeschaltet und im entlasteten Zustand gegeneinander nicht
verspannt sind. Sie benötigen, um die gleiche spezifische Federarbeit zu erzielen,
einen wesentlich höheren baulichen Aufwand, als es bei der Erfindung der Fall ist.
Es ist ferner eine aus einer oder mehreren Drehfedern mit Vorspannung bestehende
Anordnung bekannt, bei der durch einen vielteiligen, komplizierten Mechanismus erreicht
wird, daß die Feder unabhängig von der Richtung der Schwingstöße stets in der gleichen
Drillrichtung, in der auch die Vorspannung liegt, beansprucht wird. Die Einrichtung
bezweckt, die Dauerfestigkeit der Stäbe dadurch zu erhöhen, daß ihre Beanspruchung
stets in gleicher Richtung liegt, wogegen bei der Erfindung die maximalen Spannungen
im Drehfederrohr herabgesetzt werden, indem bei Belastung jedesmal erst eine in
der Gegenrichtung aufgedrückte Spannung abgebaut wird. Schließlich ist eine in eine
Gummifeder eingebettete metallische Schraubenfeder bekannt. Beide Federn erhalten
entgegengerichtete Zug- und Druckspannungen, wobei die Spannung der Schraubenfeder
im spannungslosen Zustand des Gummiblocks der der ruhenden Belastung oder der mittleren
Betriebsbelastung des Fahrzeugs entspricht. Zweck der Anordnung ist, die-Arbeitsaufnahmefähigkeit
von Gummi, die in der Nähe des spannungslosen Zustandes am größten ist, optimal
auszunutzen. Die bekannte Anordnung ist auf einen ganz bestimmten Werkstoff, den
Gummi, zugeschnitten und dessen Eigenart, daß seine elastischen Eigenschaften von
der Belastung abhängen, bzw. die Fähigkeit, Arbeit aufzunehmen, mit der Belastung
abnimmt. Demgegenüber gibt die Erfindung die Möglichkeit, ganz allgemein
die
für Torsionsfedern besonders günstige Form der Rohrquerschnitte weitgehender als
bisher auszunutzen, hierbei aber die Gefahr eines Dauerbruches infolge mangelnder
Oberflächenbeschaffenheit herabzumindern.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung sind bei Verspannung des Rohres
mit einem Vollstab die z. B. sechskantigen Aufnahmeköpfe von Rohr und Stab in getrennten
Traghebeln angeordnet.
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Zweckmäßig wird im Rohr für den Vollstab ein geteilter Lagerring vorgesehen.
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Besonders günstige Werte hinsichtlich der Materialausnutzung ergeben
sich, wenn der Außendurchmesser des Rohres etwa das 2fache, sein Innendurchmesser
etwa das 1,6fache und der umschriebene Kreis des Sechskantkopfes des Vollstabes
etwa das 1,5fache des Vollstabdurchmessers beträgt.
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Es ist vorteilhaft, dem Vollstab eine größere Härte als dem Rohr zu
geben, da der Stab höhere Drehbeanspruchungen erfährt. Bekanntlich wächst die Bruchfestigkeit
(Zerreißfestigkeit) mit der Härte. Bei dem weniger beanspruchten Rohr ist eine Steigerung
der Härte nicht erforderlich, sie wäre sogar nachteilig, da die mit der Härte anwachsende
Sprödigkeit die Wechselfestigkeit des innen nicht bearbeiteten Rohres besonders
ungünstig beeinflussen würde.
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Beim über die Fließgrenze hinaus verformten Rohr entfällt der Vollstab
mit dem zweiten Traghebel, weil die erstrebte Vorspannung als Eigenspannung im Materialquerschnitt
entsteht. Die inneren Kräfte sind also ohne Einwirkung äußerer Kräfte im Gleichgewicht.
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Optimale Abmessungen des vorgesetzten Drehfederrohres erhält man,
wenn das Maß der plastischen Verformung dem Unterschied zwischen der Dauerfestigkeit
auf der Innen- und der Außenseite des Rohres angepaßt wird.
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In der Zeichnung in Fig.1 bis 3 ist die Erfindung beispielsweise erläutert,
in Fig.4, 4a bis 4c sowie 5, 5 a bis 5 c sind die Spannungsverhältnisse in einer
Drehfeder gemäß der Erfindung an Hand von Diagrammen dargestellt.
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Bei der Anordnung in Fig. I (Längsschnitt) sitzen das Drehfederrohr
1 und der Drehfederstab 2 mit sechskantigen Aufnahmeköpfen 3, 4 in getrennten 'Praghebeln
5, 6. Für die Lagerung des Vollstabes 2 ist im Rohr 1 ein geteilter Lagerring 7
vorgesehen.
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Die beiden Traghebel 5, 6 bilden im urigespannten Zustand zueinander
einen Winkel 9p (Fig. 2). Die Vorspannung des Rohres 1 erfolgt nach unten entgegen
der Arbeitsrichtung, die des Vollstabes 2 mit dem Traghebel 6 in Arbeitsrichtung
nach oben. Dabei kann die Anordnung so getroffen werden, daß beide Traghebel 5,
6 zum Decken kommen (Fig. 3). Als Befestigung der Traghebel 5, 6 gegeneinander kommt
jede geeignete Verbindung, z. B. Schellen, Schrauben usw., in Frage. Die gestrichelte
Lage in Fig. 3 zeigt die Traghebel 5, 6 in Arbeitsstellung.
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Für die optimalen Abmessungen eines Vollstabes vom Durchmesser ci
zusammen mit einem Rohr vom Innendurchmesser 1,6 d und. Außendurchmesser
2 d
sind in Fig. 4 ein Querschnitt gezeigt und die Spannungsverhältnisse graphisch
in Fig. 4.a bei Vorspannung allein, in Fig. 4b bei Arbeitsspannung allein und inFig.
4 c bei resultierender. Beanspruchung dargestellt.
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Der Rohrquerschnitt hat eine Vorspannung (Fig. 4 a) entgegengesetzt
zur Arbeitsrichtung, und zwar innen in der Größe von x"Ri und außen von a"Ra erhalten.
Auf den Vollstab wirkt eine Vorspannung z"s in Arbeitsrichtung.
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Bei Beanspruchung der Drehfeder (Fig.4b) entsprechen einem Arbeitswinkel
9p Schubspannungen -cg7Ri am Rohrinnendurchmesser und iTRa am Rohraußendurchmesser
sowie-cgps am Durchmesser des Stabes, die alle in Arbeitsrichtung liegen. Da beim
Rohr sich die Arbeitsspannung um den vorerst abzubauenden Wert der negativen Vorspannung
vermindert, kommt nur die Differenz als maximale Beanspruchung -cr, Ra
bzw. tres Ri (Fig. 4 c) zur Auswirkung. Somit werden hohe Belastungen von
dem gegen Wechselbeanspruchungen empfindlichen Rohr ferngehalten. Der im umgekehrten
Sinne vorgespannte Vollstab dagegen erfährt eine resultierende Höchstbeanspruchung,vres
s m Höhe der Arbeitsspannung vermehrt um den Betrag der Vorspannung. Infolge des
größeren Härtewertes des Vollstabes und seiner besseren Oberflächengüte ist er im
Stande, diese höhere Beanspruchung aufzunehmen.
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Bei plastischer Torsion des Rohres (Fig. 5) ergeben sich entsprechende
Verhältnisse. Die durch Vorsetzen erreichte Torsionseigenspannung -c"i (Fig. 5 a)
auf der Innenfläche des Rohres ist entgegengesetzt zur Arbeitsspannung,rg7i (Fig.
5b), auf der Außenfläche dagegen liegt die Vorspannungc,>a in gleicher Richtung
mit derArbeitsspannung vp, In dem dazwischenliegenden Rohrquerschnitt wechselt die
Eigenspannung an der Linie des Kreises mit dem Durchmesser Dw ihre Richtung und
ihre Vorzeichen. Ein anderer Kreis mit dem Durchmesser Dz- trennt den plastischen
vom elastischen Bereich. Die entgegen der Arbeitsspannung aufgebrachte Torsionsvorspannung
senkt die Maximalspannung an der nicht bearbeiteten und daher durch Wechselbeanspruchung
gefährdeten Innenfläche des Rohres. Als resultierende Beanspruchung kommt nur der
Differenzbetrag -pese (Fig. 5 e) zur Auswirkung. An der Rohraußenfläche hingegen
erhöht sich die. Arbeitsspannung um die Varspannung zur resultierenden Beanspruchung
rresa. Diese Erhöhung ist jedoch bedenkenlos, da das Rohr außen ohnehin bearbeitet
und verfestigt wird.