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Als Ring ausgebildete Druckfeder aus gummielastischem Material Die
Erfindung betrifft eine Druckfeder aus gummielastischem Material, z. B. Naturgummi
oder Kunstgummi, in Gestalt eines Ringes mit unsymmetrischem Ringquerschnitt, der
zwischen Federtellern angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gummiringfeder zu schaffen,
die beim Einbau als Druckfeder zwischen starren Tellern od. dgl. große Federwege
zuläßt. Bei massiven Gummifedern sind mit den heute üblichen Konstruktionen Einfederungswege
von etwa 10 bis 25 %, bezogen auf die Federhöhe, möglich. Der Höchstwert des Einfederungsweges
ist durch die Häufigkeit der auftretenden Stöße bestimmt. So kann man bei intermittierend
auftretenden Pufferstößen 25% als Höchstwert des Einfederungsweges zulassen, während
bei Dauerbelastung für eine solche Feder nur eine Einfederung von 10 bis 15% praktisch
möglich ist.
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Ein Bedarf an massiven Gummifedem mit größerem Einfederungsweg besteht
insbesondere im Straßen- und Schienenfahrzeugbau. Wegen der Fortschritte der Leichtbauweise
nehmen die Differenzen zwischen Leergewicht und Belastungsgewicht immer mehr zu,
und die Federwege werden entsprechend größer. Außerdem wird die Forderung gestellt,
daß die Federkennung möglichst progressiv sein soll, um die Eigenfrequenz möglichst
unabhängig vom Belastungszustand zu halten. Diese Forderungen konnte man bisher
nur mit einer Luftfederung, d. h. einer Gummihohlfeder erfüllen. Solche Federungen
erfordern aber einen großen baulichen Aufwand. Im Aufbau solcher Gummihohlfedern
sind empfindliche Teile, wie Regelventile, vorhanden, deren Fertigung hohe Genauigkeit
erfordern und die einer sehr sorgfältigen Wartung bedürfen. Alle Versuche, mit bekannten
massiven Federn im Fahrzeugbau die Aufgaben zu erfüllen, die mit einer Luftfederung
gelöst werden, sind nicht befriedigend ausgefallen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Druckfeder aus gummielastischem
Material derart zu gestalten, daß sie bei Druckbelastung in Achsenrichtung sich
stark verformen kann, wobei ein großes Volumen des Federmaterials an der Verformung
beteiligt ist, so daß die Feder ein großes Arbeitsvermögen hat. Gleichzeitig soll
eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung stattfinden, da hierdurch das Gesamtarbeitsvermögen
und der Einfederungsweg wesentlich vergrößert wird.
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Bei bekannten Druckfedem mit kreisrundem Querschnitt oder einem solchen,
der diesem entspricht, entsteht eine ungleiche Spannungsverteilung mit Bezug auf
die durch die Wirkungslinie geteilten Bereiche.
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Andere bekannte Druckfedem dieser Art haben meist außen und innen
zylindrische Begrenzungsflächen und Auflageflächen zur Einleitung der Druckkräfte,
die auch schon im unbelasteten Zustand meist eben sind. Außerdem sind die bekannten
Federn in vielen Fällen oben und unten an Blechen fest anvulkanisiert, wodurch die
Feder sich kaum in der horizontalen Ebene ausdehnen kann. Schon bei kleinen Federwegen
muß ein sehr großes Volumen verdrängt werden. Die Auflageflächen bleiben dabei konstant,
und - der Gummi wandert sehr wenig nach außen, d.h. ei wird sehr wenig gedehnt.
Das ergibt eine sehr unterschiedliche Spannungsvertehung im Gummi und damit, bezogen
auf das Volumen, eine geringe Energiespeichermenge. Das Verhältnis von Höhe zu Dicke
ist relativ niedrig, meist unter 1. Dieser Wert gilt auch für die ungebundene
Druckfeder, da auch bei ihr die Formgebung nicht für eine hohe Energieaufnahme ausgelegt
ist.
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Eine als Ring ausgebildete Druckfeder mit unsymmetrischem Ringquerschnitt
aus gummielastischem Material, die zwischen Federtellem od. dgl. liegt, ist gemäß
der Erfindung so ausgebildet, daß der Ringquerschnitt der Feder durch eine Kurve
begrenzt ist, deren Krümmungsradius an der Außenfläche kleiner ist als an der Innenfläche.
Die Wirkungslinie der Krafteinleitung kommt bei Beginn der Belastung näher zum Innendurchmesser
der Druckfeder als zu deren Außendurchniesser zu liegen, d.h. die Resultierende
der eingeleiteten Kräfte liegt näher zur inneren Begrenzung der Druckringfeder als
zur äußeren, und bei zunehmender
Belastung kommen weitere Teile
der Krafteinleitungsfläche mit der Druckfeder derart in Berührung, daß die Wirkungslinie
der Krafteinleitung nach außen verschoben wird. Dadurch wird die vorstehend erörterte
günstige Verschiebung des Gummimaterials und die günstige Beanspruchungsverteilung
erreicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß in an
sich bekannter Weise die größte Ringdicke der Feder senkrecht zu ihrer Formachse
etwa in der Mitte ihrer Höhe liegt.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der neuen Feder ist, wie an
sich bekannt, deren größte Ringdicke kleiner als ihre Höhe.-Weiterhin kann auch
in an sich bekannter Weise eine etwa elliptische äußere und/oder innere Begrenzung
des Querschnitts der unbelasteten Feder vorgesehen werden, wodurch man ein für die
Funktion der Feder günstiges »Abrollen« der Druckfeder auf dem Federteller od. dgl.
erhält.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 eine Druckfeder gemäß der Erfindung in nichtbelastetem
Zustand, Fig.2 dieselbe Feder in belastetem Zustand, F i g. 3 mehrere der
in F i g. 1 dargestellten Federn, übereinander angeordnet, und F i
g. 4 übereinander und ineinander liegende Druckfedem.
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Die Druckfeder 1 hat zwischen den Federtellern 2 und
3 in unbelastetem Zustand die Höhe h. Die Begrenzung des Querschnitts der
Feder 1 ist nach innen und nach außen kurvenförnüg, wobei die Krümmung an
der Außenseite der Feder stärker ist.
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In F i g. 2 ist veranschaulicht, daß die neue Druckfeder eine
starke Einfederung in senkrechter Richtung zuläßt. Die verformte Druckfeder ist
mit l! bezeichnet; sie hat die Höhe h' und liegt zwischen den einander genäherten
Federtellern 2 und 3.
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Das Gummimaterial, das sein Volumen beibehält, wird im wesentlichen
nach außen verlagert, wobei aber überbeanspruchungen im Querschnitt oder im Bereich
der Oberfläche infolge der neuen Gestaltung der Feder vermieden sind. Eine Verlagerung
von Material nach innen findet nur in sehr begrenztem Umfang statt. Die Wülste auf
den der Druckfeder 1 bzw. l! zugekehrten Seiten der Federteller 2
und 3 dienen zur Zentrierung der Feder. Sie hegen am Rand der runden Ausnehmung
der Federteller. . F i g. 3 zeigt drei Federn 1 zwischen dem
oberstpn Federteller 2 und dem untersten Federteller 3. Die dazwischenliegenden
Federteller 16 haben auf der Oberseite und auf der Unterseite Wülste.
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Bei der Ausführungsform, die in F i g. 4 dargestellt ist, liegen
Druckfedern 11, 12 und 13 konzentrisch ineinander und übereinander.
Der oberste und der unterste Federteller haben nur auf der den Druckfedern zugekehrten
Seite Wülste; sie sind mit 14 bezeichnet, während die dazwischen liegenden Federteller
15 beiderseits mit Wülsten versehen sind.
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Eine Druckfeder gemäß der Erfindung von etwa 75 mm Höhe, etwa
150 mm Innendurchinesser und 220 min Außendurchmesser wurde von einer dynamischen
Prüfmaschine bei einer statischen Einfederung von 30 % der Höhe bis auf
50 % dynamisch bei einer Frequenz von 10 Hz beansprucht. Bei rund
einer Million Lastwechsel zeigten sich noch keine Beschädigungen.