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Kegelstumpfförmige Feder mit linearer oder teilweise linearer, teilweise
progressiver Kennlinie.
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Gegenstand der Erfindung ist eine kegelstumfförmige Feder mit linearer
oder teilweise linearer, teilweise progressiver Kennlinie, bei der bei Höchstbelastung
die Windungen in Form einer Spirale ineinanderliegen und bei der durch optimale
Werkstoffausnutzung ein geringes Federgesicht, eine geringe Bauhöhe und ein kleiner
Außendurchmesser erzielt werden. Die bekannten kegelstumpfförmigen Federn, bei denen
bei Höchstbelastung die Windungen ineinander liegen, so daß die Bauhöhe der blockierten
Feder dem Drahtdurchmesser entspricht, weisen eine sehr ungünstige Federkennlinie
auf, denn die Forderungen, daß sich die Windungen in- einanderlegen sollen, und
daß die Feder eine bestimmte Kennlinie aufweisen soll, lassen sich nicht gleichzeitig
erfüllen. Es ist bekannt, solchen Federn eine lineare Kennlinie dadurch zu verleihen,
daß der Windungssbstand von der größten zur kleinsten Windung abnimmt, dabei erhält
die Feder aber eine gekrümmte Mantellinie, d.h. die Feder ist nicht mehr geometrisch,
kegelstumpfförmig, sondern nur kegelstumpfähnlich.
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Soll die Kegelstumpffeder eine progressive Kennlinie aufweisen, so
kann auch dies durch unterschiedliche Größe der Windung abstände erreicht werden,
auch eine solche Feder besitzt aber eine gekrümmte Mantellinie, ist also auch nicht
kegelatumpfförmig, sondern nur kegelstumpfähnlich. Derartige kegelstumpfähnliche
Federn mit gekrümmten Mantellinien sind unerwünscht,
wenn die Bedern
aus Werkstoffen gefertigt werden, die erst nach der Formgebung zur Beder gehärtet
werden, da die Federn dann beim Härten nicht auf ebene Unterlagen gelegen werden
können, sondern für Jede Feder eine Unterlage erforderlich@, die entsprechend der
Kegelmantellinie gekrümmt ist. Gerade bei den Federn, die als Chamisfedern für Kraftfahrzeuge
verwendet werde sollen, müssen aber, um die gewünschten Federeigenschaften zu erreichen,
solche Werkstoffe, die nach der Formgebung gehärtet werden, verwendet werden.
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Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten kegelstumpfförmigen
oder kegelstumpfähnlichen Federn liegt in der schlechten Materialausnutzung. Die
Werkstoffausnutzung bei Schraubenfedern ergibt sich unter sonst gleichen Verhältnissen
aus der Formel: V = 1/#2 Dabei bedeutet V das Werkstoffvolumen, # die Verdrehungsbeanspruchung
der jeweiligen Windung. Da das Volumen proportional den Windungsdurchmesser und
proportional dem @uadrat des Drahtdurchmessers ist, folgt daraus, daß die Werkstoffausnutzung
solcher kegelstumpfförmgen oder kegelstumpfähnlichen Federn mit abnbemenden Windungsdurchmesser
sehr stark abnimtt und zwar mit dem Quadrat des Verhältnisses des größten zum kleinsten
@ Windungsdurchmesser. Praktisch bedeutet dies, daß eine kegelstumpfähnliche Feder,
bei der sich der größte Windungsdurchmesser zum kleinsten Windungsdurchmesser wie
5:1 verhält, und bei der das Material im größten Windungsdurchmesser nahezu optimal
ausgenutzt ist, im kleinsten Windungsdurchmesser die Materialausnutsung nur noch
1/25 beträgt. Der Materialaufwand ist also in allen Windungen, die kleiner als die
größte Windung sind, unvollständig und die Feder könnte bei optimaler Material ausnutzung
insgesamt ein wesentlich geringeres Materialvolumen und damit auch ein wesentlich
geringeres Gewicht, und als weitere Folge der besseren Materialausnutzung eine kleinere
Windungszahl und einen kleineren Außendurchmesser erhalten.
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Es war somit die Aufgabe zu lösen, eine Kegelstumpffeder zu schaffen,
mit geradliniger Mantellinie und geringstem Materialgewicht. Gemäß der Erfindung
wird dies dadurch erreicht, daß die Drahtdicke nach den Windungen kleinsten Drahtdurchmessers
zu abnimmt, und zwar in einem solchen Verhältnis, daß für Jede Windung die Bedingung
maximaler Beanspruchung erfüllt ist.
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Es ist bekannt, daß sich bei Schraubenfedern, die als Zylinderfedern
gewickelt sind, eine progressive Kennlinie dadurch erreichen läßt, daß die Drahtdicke
von einem Ende der Feder zum anderen Ende oder von der Mitte der Feder nach beiden
Enden zu abnimmt, und daß dabei auch eine sehr gute Werkstoffausnutzung erzielt
wird. Die Bauhöhe solcher Zylinderfedern ist aber verhältnismäßig hoch und insbesondere
nimmt die blockierte Feder, bei der die Federwindungen aneinander liegen, noch eine
beträchtliche Bauhöhe ein. Nachdem kegelstumpfförmige Federn an sich bereits eine
progressive, Jedoch sehr wenig günstige Kennlinie aufweisen, war zu erwarten, daß
bei abnehmendem Drahtdurchmesser zwar eine bessere Materialausnutsung erreicht werden
kann, daß die Kennlinie aber noch ungünstiger wird bzw. eine Verbesserung der Kennlinie
wieder nur dadurch erreicht werden kann, daß die Kegelstumpffeder keine geradlinige,
sondern eine stark gekrümmte Mantellinie aufweist. Uberraschenderweise ist dies
Jedoch nicht der Fall, sondern es hat sich gezeigt, daß bei abnehmendem Drahtdurchmesser
kegelstumpfförmige Federn mit gerader Mantellinie geschaffen werden können, deran
Federkennlinie weitgehend beeinflußt werden kann, d.h. daß auf diese Weise sowohl
Federn mit gerader Federkennlinie, als auch Federn mit pror gessiver oder mit teilweise
linearer, teilweise progressiver Kennlinie erhalten werden können.
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Anhand der Figuren wird dies näher erläutert.
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Figur 1 zeigt eine lineare Federkennlinie, d.h. eine Kennlinie, bei
der C = dp/df = const.
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Figur 2 zeigt eine teilweise progressive Federkennlinie, wie sie für
Chassisfedern und andere Zwecke erwünscht ist. Diese Feder kennlinie soll im ersten
Teil bis zum Punkt PA linear verlaufen.
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Darauf folgt ein progressiver Abschnitt der Kennlinie, bei dem das
Verhältnis P:C konstant sein soll, bis zum Punkt PE und von hier an bis zur Blockierung
der Feder soll die Kennlinie wieder geradlinig verlaufen.
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Figur 3 zeigt eine kegelstumpfähnliche Feder und Figur 4 zeigt die
zu dieser Feder gehörige Kennlinie. Die Windungsabstände nehmen von den größten
zur kleinsten Windung stark ab und infolgedessen ist die Mantellinie stark gekrümmt.
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Zu dem Nachteil der gekrümmten Mantellinie kommt noch der weitere
erhebliche Nachteil, daß, wie eingangs erläutert, die Ma#terialausnutzung von der
größten zur kleinsten Windung sehr stark abnimmt. Figur 5 zeigt eine kegelstumpfähnliche
Feder und Figur 6 zeigt die progressive Kennlinie dieser Federn. Auch bei dieser
Feder ist die Mantellinie gekrümmt. Die Kennlinie ist im ersten Teil ihres Anstieges
verhältnismäßig wenig gekrümmt und die Krümmung nimmt bis zur Blockierung erheblich
zu. Die Kennlinie verläuft insbesondere in dem Bereich, in dem sie sich der Blockierung
nähert, zu steil. Die Materialausnutzung nimmt auch hier mit der Abnahme des Windungsdurchmessers
sehr stark zu.
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Die Figuren 7 @@ 10 zeigen eine Feder nach der Erfindung und zwar
Figur 7 die unbelastete Feder im Querschnitt, Figur 8 die Feder in Aufsicht und
Figur 9 die bis zur Blockierung belastete Feder im querschnitt.
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Figur 10 zeigt zwei mögliche Kennlinien einer solchen Feder.
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Bei dieser Feder nimmt der Drahtdurchmesser von der größten zur kleinsten
Windung ab, wobei durch das Verhältnis, wie stark der Drahtdurchmesser von Windung
zu Windung abnimmt, der Verlauf der Kennlinie vorbestimmt werden kann. Die Mantel
linie der unbelasteten Feder ist eine Gerade, d.h. die Feder ist exakt kegelstumpfförmig
und kann beim Härten auf eine ebene Unterlage gelegt werden. Die Materialausnutzung
einer solchen Feder ist
sehr viel besser, als bei gleichmäßiger
Drahtdicke und bei richtiger Wahl des Verhältnisses der Abnahme der Drahtstärke
läßt sich erreichen, daß in jeder Windung der Feder das Ma-@ terial optimal ausgenutzt
ist, d.h. eine solche Feder weist das geringstmögliche Gewicht auf. Die in Figur
10 wiedergegebene Kennlinie A ist linear, entspricht also der Kennlinie nach Figur
1, während die Kennlinie B der in Figur 2 geforderten Kennlinie entspricht, d.h.
sie ist in dem Abschnitt bis zu Punkt PA linear, in dem Abschnitt von PA bis PE
progressiv und in dem Abschnitt PE bis PBL, d.h. bis zur Blockierung, wieder linear.
Bei der linearen Kennlinie nimmt die Drahtdicke stärker ab als bei einer progressiven
oder teilweise progressiven Kennlinie.
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Wie in Figur 8 und 9 dargestellt, haben die Endwindungen, die als
tote Windungen an der Federung nicht teilnehmen, konstanten Drahtdurchmesser und
über 1/4 bis 3/4 der Windung konstante Krümmung. Bei Federn, die bei ihrer Verwendung
mit großen Drehzahlen um die Federachse umlaufen, wird an die Feder zusätzlich noch
die Fprderung gestellt, daß sie möglichst weitgehend frei von Unwuchten sein soll.
Dies kann erreicht werden, indem die in der Feder enthaltenen Unwuchten dadurch
ausgeglichen werden, daß diese toten Federenden abnehmenden Drahtdurchmesser arhalten
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Feder ist in den Figuren 11, 12@ und 13 dargestellt
und zwar zeigt Figur 11 wieder die Feder im Schnitt im unbelasteten Zustand, Figur
12 in Aufsicht und Figur 13 die bei maximaler Belastung blockierende Feder.
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Der größte Drahtdurchmesser liegt hier in der äußersten Windung bei
dmax, etwa eine 3/4 Windung vor dem Federende und von dmax bis zum Federende nimmt
der Drahtdurchmesser wieder ab. Am inneren Ende ist der sich aus der Berechnung
ergebende kleinete Drahtdurchmesser bei dmin erreicht. Diese Stelle liegt wieder
etwa eine 3/4 Windung vor dem Federende und bis zum Federende nimmt die Drahtdicke
nach weiter ab.
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P a t e n t a n s p r ü c h e