DE19700629A1

DE19700629A1 - Energieaufnehmender Druckfederkörper und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE19700629A1
Application number: DE19700629A
Authority: DE
Inventors: James Kermit Reichelt; Richard Keith Reichelt
Original assignee: Iso Dynamics Inc
Current assignee: Iso Dynamics Inc
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2017-01-11
Also published as: US5791637A; DE19700629B4

Description

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Druckfedern und im be sonderen rohrförmige elastomere Druckfedern, die dazu vorgesehen sind, Stöße in Fahrzeugstoßstangenanordnungen und anderen Vorrich tungen zu dämpfen, auf die Stöße einwirken.

Hintergrund der Erfindung

Rohrförmige Druckfedern, die aus thermoplastischen elastomeren Materialien hergestellt werden, sind auf Grund ihrer hohen Energie absorptionseigenschaften in den letzten Jahren sehr beliebt gewor den. Sie haben sich als besonders geeignet in Fahrzeugstoßstangen anordnungen sowie in anderen Vorrichtungen erwiesen, auf die plötz liche Stöße oder Schüttelvorgänge einwirken. Ein bevorzugtes Mate rial für diese Druckfedern ist ein copolymeres Elastomer, herge stellt unter dem Warenzeichen Hytrel® von E.I. du Pont de Ne mours. Beispiele für Druckfedern, die aus diesem Material herge stellt sind, sind dargestellt in dem USA-Patenten Nr. 4,198,037 und Nr. 4,566,678 an Anderson und dem USA-Patent Nr. 5,326,083 an Wydra et al.

Ein Problem, durch das die Anwendungsarten dieser elastomeren Druckfedern beschränkt werden, ist die Rücksprungkraft, die diese aufweisen, wenn die Kompressionskraft weggenommen wird. Technisch haben diese Federn eigentlich keine Energie absorbiert. Sie spei chern diese einfach vorübergehend, während sie zusammengedrückt bleiben. Wenn die Kraft weggenommen wird, die sie zusammendrückt, "schnellen" sie "zurück" oder "springen zurück", wobei sie fast so viel Energie in die Gegenrichtung leiten, wie sie zu Anfang aufge nommen haben. Deshalb werden diese elastomeren Druckfedern nicht sehr oft für Situationen eingesetzt, in denen eine dauerhafte Stößdämpfung erforderlich ist. Statt dessen werden hydraulische Stoßdämpfer und andere ausgeklügelte energieabsorbierende Vorrich tungen angewandt.

Solche Stoßdämpfer sind sehr teuer, da in ihnen komplizierte mecha nischen Vorrichtungen verwendet werden, wie zum Beispiel mehrere Hochdruckfluidkammern mit Öffnungen.

Ein weiteres Problem bei elastomeren Druckfedern ist die Nei gung ihrer Elemente, sich während des zusammengedrückten Zustandes zu verschieben. Diese Verschiebung kann bewirken, daß die Maschinen beschädigt werden, in die sie eingebaut sind, oder sie kann deren Versagen bewirken. Auch führt eine wiederholte Verschiebung dazu, daß die Druckfedern vorzeitig verschleißen.

Noch ein weiteres Problem bei thermoplastischen elastomeren Druckfedern ist deren unbeständige Leistung bei deren anfänglichem Gebrauch. Sie erfordern oft eine Einlaufzeit, bevor sich das Ela stomer vollständig einstellt, so daß sie übereinstimmend mit der Kurve einer ständigen Kräfteverschiebung funktionieren. Wird eine elastomere Feder zusammengedrückt, bevor sie sich vollständig ein stellt, springt sie nicht auf die Länge zurück, die sie aufwies, bevor sie zusammengedrückt wurde.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermo plastischen elastomeren Druckfederkörper zu schaffen, der Maschi nenelemente nicht nur vor Stößen schützt, sondern auch einen gro ßen Teil der Energie absorbiert, die sie aufnimmt, und dadurch die Rücksprungkräfte vermindert oder beseitigt, wenn die Kompressions kräfte weggenommen sind.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermoplastische elastomere Druckfeder zu schaffen, die sich nicht verschieben kann, während sie zusammengedrückt wird.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermoplastische elastomere Druckfeder zu schaffen, die auch wäh rend ihres anfänglichen Gebrauchs beständig funktioniert.

Diese und weitere Aufgaben werden erfüllt, indem ein Druckfe derkörper geschaffen wird, der aus einem thermoplastischen elasto meren Material hergestellt wird und eine rohrförmige Form mit ei ner inneren Wandfläche mit einem ersten inneren Längenabschnitt mit einem relativ großen Durchmesser, einen zweiten inneren Längenab schnitt mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten inneren Längenabschnitts, und eine gestufte Innenfläche aufweist, die diese inneren Längenabschnitte verbindet. Der Druck federkörper weist auch eine äußere Wandfläche mit einem ersten äu ßeren Längenabschnitt auf, der sich von dem ersten inneren Längen abschnitt der inneren Wandfläche radial nach außen erstreckt, und eine gestufte Außenfläche, die sich von dem ersten äußeren Längen abschnitt nach innen erstreckt und zwischen der gestuften Innenflä che und dem Endabschnitt verläuft, der sich am nächsten zu dem zweiten inneren Längenabschnitt der inneren Wandfläche befindet. Wenn dieser Druckfederkörper an seiner Längsachse entlang zusammen gedrückt wird, biegen sich der erste innere Längenabschnitt und die gestufte Innenfläche der inneren Wandfläche in Richtung zueinander. Durch die teleskopartige Bewegung dieser Elemente entsteht ein Druckfederkörper, der ausgerichtet bleibt und dauerhaft Energie absorbiert und Rücksprungkräfte vermindert oder beseitigt.

Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden auch erfüllt durch ein Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Druckfederkörpers, das den Schritt der Herstellung einer rohrförmi gen Vorform eines thermoplastischen elastomeren Materials mit einer inneren Wandfläche mit einem ersten inneren Längenabschnitt mit ei nem relativ großen Durchmesser, einer zweiten inneren Wandfläche mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des er sten inneren Längenabschnitts, und mit einer gestuften Innenfläche umfaßt, die die inneren Längenabschnitte verbindet. Die rohrförmi ge Vorform weist auch einen äußeren Längenabschnitt mit einer im wesentlichen konischen Form auf, wobei ein Abschnitt der konischen Form mit einem größeren Durchmesser von dem ersten inneren Längen abschnitt radial nach außen verläuft und ein zweiter Abschnitt der konischen Form mit einem kleineren Durchmesser von dem zweiten in neren Längenabschnitt radial nach außen verläuft. Das Verfahren um faßt auch den Schritt des Zusammendrückens der Vorform an deren Längsachse entlang um einen Wert, der gleich mindestens 25 Prozent von deren ursprünglicher Länge ist, sowie den Schritt, durch den die zusammengedrückte Vorform zu einer fertigen Form zurückspringen kann, so daß ein Druckfederkörper entsteht.

Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Er findung werden klarer ersichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Ansicht von oben auf eine Vorform für einen Druckfederkörper, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung zeigt;

Fig. 2 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Vorform von Fig. 1 längs der Linie II-II von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Druckfe derkörpers, der aus der Vorform der Fig. 1 und 2 hergestellt wurde;

Fig. 4 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Druckfeder körpers von Fig. 3, während sich der Körper in Gebrauch und in zusammengedrücktem Zustand befindet;

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Kräfteverschiebungsmerkmale des Druckfederkörpers von Fig. 3 und 4 zeigt;

Fig. 6 ist eine Ansicht von oben auf eine Vorform für einen Druckfederkörper, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 7 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Vorform von Fig. 6 längs der Linie VII-VII von Fig. 6;

Fig. 8 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Druckfe derkörpers, der aus der Vorform der Fig. 6 und 7 hergestellt wurde;

Fig. 9 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Druckfeder körpers von Fig. 8, während sich der Körper in Gebrauch und in zusammengedrücktem Zustand befindet;

Fig. 9 ist eine Seitenansicht des Druckfederkörpers von Fig. 8, während sich der Körper in Gebrauch und in zusammengedrück tem Zustand befindet;

Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Kräfteverschiebungsmerkma le des Druckfederkörpers von den Fig. 8 und 9 zeigt;

Fig. 11 ist eine Ansicht von oben auf eine Vorform für einen Druckfederkörper, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 12 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Vorform von Fig. 11 längs der Linie XII-XII von Fig. 11;

Fig. 13 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Druckfe derkörpers, der aus der Vorform der Fig. 11 und 12 hergestellt wurde;

Fig. 14 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Druckfe derkörpers von Fig. 13, während sich der Körper in Gebrauch und in zusammengedrücktem Zustand befindet;

Fig. 15 ist ein Diagramm, das die Kräfteverschiebungsmerkmale des Druckfederkörpers von den Fig. 13 und 14 zeigt, während die ser nach der Herstellung ersten, zweiten und dritten Kompressions takten unterworfen wird;

Fig. 16 ist eine Ansicht von oben auf eine Vorform für einen Druckfederkörper, die eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 17 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Vorform von Fig. 16 längs der Linie XVII-XVII von Fig. 16;

Fig. 18 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Druckfe derkörpers, der aus der Vorform der Fig. 16 und 17 hergestellt wurde;

Fig. 19 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Druckfe derkörpers von Fig. 18, während sich der Körper in Gebrauch und in zusammengedrücktem Zustand befindet; und

Fig. 20 ist ein Diagramm, das die Kräfteverschiebungsmerkmale des Druckfederkörpers von den Fig. 18 und 19 zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 1 bis 4 zu sehen. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Druckfedervorform 1 kann an einer Längsachse x¹ entlang zusammen gedrückt werden und kann dann so zurückspringen, daß ein fertiger Druckfederkörper 21 entsteht, der in den Fig. 3 und 4 zu sehen ist.

Die Vorform 1 ist aus einem thermoplastischen elastomeren Ma terial hergestellt, vorzugsweise aus einem, das sehr gute Energie absorptionseigenschaften aufweist. Das bevorzugte Material für die sen Zweck ist ein copolymeres Elastomer, hergestellt unter dem Wa renzeichen Hytrel® von E.I. du Pont de Nemours. Wie in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, besteht die Vorform 1 aus einem Elastomer Hytrel® der Durometerhärte 55 und weist eine rohrförmige Form mit einer mittigen Bohrung 3, einer inneren Wandfläche 3 und einer äu ßeren Wandfläche 4 auf. Die Vorform 1 wird vorzugsweise in der Form geformt, die in Fig. 2 zu sehen ist. Die mittige Bohrung 2 kann jedoch maschinell so herausgearbeitet werden, daß die innere Wand fläche 3 entsteht, wenn das Element in der Form der äußeren Wand fläche 4 ausgeformt ist. Als Alternative können sowohl die innere als auch die äußere Wandfläche maschinell herausgearbeitet werden.

Die Vorform 1 weist einen freien Endabschnitt 5 und einen Bo denabschnitt 6 mit einem Flansch 7 auf. Die innere Wandfläche 3 weist einen ersten inneren Längenabschnitt 9 mit einem relativ gro ßen Durchmesser PA¹ und einen zweiten inneren Längenabschnitt 8 mit einem kleineren Durchmesser PB¹ auf. Eine gestufte Innenfläche 10 verbindet die inneren Längenabschnitte 8 und 9. Beide inneren Län genabschnitte 8 und 9 weisen zylindrische Formen auf. In dem Boden abschnitt 6 weist die innere Wandfläche 3 einen dritten inneren Längenabschnitt 11 mit einem Durchmesser PC¹ auf. Eine zweite ge stufte Innenfläche 12 verbindet die inneren Längenabschnitte 9 und 11.

Die äußere Wandfläche 4 der Vorform 1 weist eine konische Form auf, an der sich ein Abschnitt mit größerem Durchmesser 13 von dem ersten inneren Längenabschnitt 8 radial nach außen erstreckt und sich ein Abschnitt mit kleinerem Durchmesser 14 von dem zweiten in neren Längenabschnitt 9 radial nach außen erstreckt.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorform 1 ist nach den in Fig. 2 angegebenen Beschriftungen mit den folgenden Maßen ge staltet:

PA¹ = 0,6875 Zoll
PB¹ = 0,500 Zoll
PC¹ = 0,270 Zoll
PD¹ = 0,980 Zoll
PE¹ = 0,980 Zoll
PF¹ = 0,525 Zoll
PG¹ = 0,815 Zoll
PH¹ = 0,668 Zoll
PJ¹ = 0,870 Zoll
PL¹ = 1,125 Zoll

Um den fertigen Druckfederkörper 21 aus den Fig. 3 und 4 auszubilden, wird die Vorform 1 aus den Fig. 1 und 2 in eine Presse eingelegt, die eine Kompressionskraft an der Achse x¹ ent lang aufbringt. Während sich die Vorform 1 in dieser Presse befin det, werden ihre Enden in einer Befestigungsvorrichtung gehalten, so daß die Durchmesser PD¹ und PE¹ der Vorform von je 0,980 Zoll (Fig. 2) in dem gleichen Maß verbleiben wie die Durchmesser D¹ und E¹ des Federkörpers 21 (Fig. 3). Die durch die Presse aufgebrachte Kraft wird auf ein Ausmaß erhöht, das so groß ist, daß die Axial länge der Vorform 1 um mindestens 25 Prozent reduziert wird. In diesem Falle wird die anfängliche Länge PL¹ von 1,125 Zoll auf eine Länge von 0,642 Zoll verringert, was eine axiale Verkürzung von 42, 9 Prozent darstellt. Dann wird die durch die Presse aufgebrachte Kraft weggenommen, wodurch die Vorform 1 um ein Stück der Länge zu rückspringen kann, um die sie zusammengedrückt wurde, so daß der fertige Druckfederkörper 21 in den Fig. 3 und 4 entsteht. Der durch diesen Prozeß ausgebildete Druckfederkörper 21 ist nicht nur kürzer als die Vorform 1 und weist eine neue Länge L¹ von 1,050 Zoll auf, sondern er besitzt auch eine wesentlich andere Form. Die konische äußere Wandfläche 4 der Vorform 1 ist nunmehr in zwei im wesentlichen zylindrische Längenabschnitte geteilt, insbesondere in einen Längenabschnitt 24a mit einem großen Durchmesser und in einen Längenabschnitt 24b mit einem kleinen Durchmesser, die durch eine gerundete gestufte Außenfläche 24c verbunden werden. Der Län genabschnitt 24 wölbt sich nahe an der gestuften Außenfläche 24c etwas nach außen und weist an dem Endabschnitt 5 einen Durchmesser D⁴ von 0,980 Zoll und nahe an der gestuften Fläche 24c einen sol chen von 1,020 Zoll auf. Der erste innere Längenabschnitt 8 der Vorform wurde auch zu einem inneren Längenabschnitt 28 geformt, der sich oben etwas nach innen verjüngt, so daß sein ursprünglicher Durchmesser PA¹ von 0,6875 Zoll einen Enddurchmesser A¹ von 0,675 Zoll aufweist. Der Druckfederkörper 21 besitzt die folgenden Maße:

A¹ = 0,675 Zoll
B¹ = 0,480 Zoll
C¹ = 0,270 Zoll
D¹ = 0,980 Zoll bis 1,020 Zoll
E¹ = 0,980 Zoll
H¹ = 0,698 Zoll
L¹ = 1,050 Zoll

Der Druckfederkörper 21 weist eine dritte innere Wandfläche 31 und eine zweite gestufte Innenfläche 32 auf, die so konstruiert sind, daß sie eine Schraube oder ein anderes Befestigungsmittel halten. Ein solches Befestigungsmittel kann dazu dienen, die Druck feder an einem anderen Maschinenelement anzubringen.

Fig. 4 zeigt die Form des Druckfederkörpers 21 in zusammenge drücktem Zustand in einer 30 t-Presse, die eine Kraft von annähernd 90 Pounds ausübt. Das Diagramm in Fig. 5 zeigt die Kräfteverschie bungsmerkmale des Federkörpers 21. Die Kurve in diesem Diagramm sowie die Kurven in den Fig. 10, 15 und 20 wurden erzeugt, wäh rend sich die Presse mit 40 Zoll/min bewegte, wobei elektrische Verschiebungs- und Kraftsensoren mit proportionalen Spannungsaus gängen herangezogen wurden.

Der Hauptvorteil des Federkörpers 21 ist, daß er alle Energie absorbiert, die auf ihn aufgebracht wird, und keine Rücksprungkraft ausübt, wenn die Kompressionskraft weggenommen ist. Tatsächlich fällt der Körper 21, nachdem er unter einer Kraft von 90 Pounds um etwa 0,1 Zoll zusammengedrückt wurde, umweitere 0,088 Zoll auf ei ne Länge CL¹ von 0,862 Zoll (Fig. 4) zusammen, solange die auf ihn aufgebrachte Kraft nur leicht über 30 Pounds bleibt. Der Körper 21 kann mehrere Stunden lang in diesem zusammengedrückten Zustand verbleiben, und danach springt er in seine ursprüngliche Form in Fig. 3 zurück.

Der Körper 21 kann auf eine Länge CL¹ von weniger als 0,862 Zoll weiter zusammengedrückt werden. Es wäre jedoch eine wesent lich größere Kraft erforderlich, und es wurde eine bestimmte Rück sprungkraft auftreten, wenn diese hohe Kompressionskraft weggenom men wird.

Der Druckfederkörper 21 bleibt während des Kompressionszyklus sehr gut ausgerichtet, da sich sein oberer Abschnitt wie die Sek tionen eines Teleskops über seinen unteren Abschnitt biegt.

Der Druckfederkörper 21 weist einen relativ kurzen Kompres sionszyklus auf, jedoch läßt sich dieser Kompressionszyklus verlän gern, wenn mehrere Federkörper 21 hintereinander benutzt werden.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird veranschaulicht durch die Druckfedervorform 101 und den Federkörper 121, die in den Fig. 6 bis 9 zu sehen sind. Der Federkörper 121 weist einen geringen Grad einer Rücksprungkraft auf, hat jedoch den Vorteil, daß er sich sofort dann zu seiner ursprünglichen Form zu rückbildet, wenn die auf ihn wirkende Kompressionskraft weggenommen wird. Der Federkörper 121 weist auch einen längeren Kompressions zyklus auf als der Federkörper 21 in den Fig. 3 und 4.

In Fig. 7 ist die Vorform 101 aus einem Elastomer Hytrel® mit der Durometerhärte 40 hergestellt und weist eine rohrförmige Form mit einer mittigen Bohrung 102, der inneren Wandfläche 103, der äußeren Wandfläche 104, einem freien Endabschnitt 105 und einem Bodenabschnitt 106 mit einem sich verjüngenden Flansch 107 auf. Die innere Wandfläche 103 weist einen ersten inneren Längenab schnitt 108 mit einem relativ großen Durchmesser PA² und einen zweiten inneren Längenabschnitt 109 mit einem kleineren Durchmesser PB² auf. Eine gestufte Innenfläche 110 verbindet die inneren Län genabschnitte 108 und 109. Beide inneren Längenabschnitte 108 und 109 weisen zylindrische Formen auf. In dem Bodenabschnitt 106 be sitzt die innere Wandfläche 103 einen dritten inneren Längenab schnitt 111 mit einem Durchmesser PC². Eine zweite gestufte Innen fläche 112 verbindet die inneren Längenabschnitte 109 und 111.

Die äußere Wandfläche 104 der Vorform 1 weist eine im allge meinen konische Form auf, besitzt jedoch auch einen kurzen zylin drischen Abschnitt 113 nahe an ihrem freien Endabschnitt 105. Der kleinste Durchmesser der äußeren Wandfläche befindet sich an dem Halsstück 114. Die äußere Wandfläche 104 ist zwischen dem Hals stück 114 und der Unterkante 115 des zylindrischen Abschnitts 113 konisch.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Vorform 101 ist nach den in Fig. 7 angegebenen Beschriftungen mit den folgenden Maßen gestaltet:

PA² = 0,6875 Zoll
PB² = 0,468 Zoll
PC² = 0,270 Zoll
PD² = 0,994 Zoll
PE² = 0,994 Zoll
PF² = 0,650 Zoll
PG² = 0,910 Zoll
PH² = 0,710 Zoll
PJ² = 1,000 Zoll
PK¹ = 0,335 Zoll
PL² = 1,125 Zoll
PM² = 0,865 Zoll

Um den fertigen Druckfederkörper 121 aus den Figuren und auszubilden, wird die Vorform 101 in eine Presse eingelegt, und ihre Enden werden in einer Befestigungsvorrichtung gehalten, um deren Ausdehnung zu verhindern. Die Presse drückt die Vorform 101 von einer anfänglichen Axiallänge von PL² von 1,125 Zoll auf 0,642 Zoll zusammen, was eine axiale Verkürzung von 42,9 Prozent dar stellt. Dann wird die durch die Presse aufgebrachte Kraft weggenom men, wodurch die Vorform 101 um das Stück der Länge zurückspringen kann, um die sie zusammengedrückt wurde, so daß der fertige Druck federkörper 121 in den Fig. 8 und 9 entsteht. Der durch diesen Prozeß ausgebildete Druckfederkörper 121 weist eine Länge L² von 1,040 Zoll auf. Seine äußere Wandfläche weist einen Längenabschnitt 124a mit einem großen Durchmesser und einen Längenabschnitt 124c mit einem kleinen Durchmesser auf, die durch eine gerundete gestuf te Außenfläche 124b verbunden werden. Der Längenabschnitt 124a mit einem großen Durchmesser dehnt sich, wenn er aus der Befestigungs vorrichtung gelöst ist, etwas nach außen aus von einem Durchmesser PD² von 0,994 Zoll (Fig. 7) auf einen Durchmesser D² von 1,020 Zoll (Fig. 8). Dagegen verjüngt sich der innere Längenabschnitt 128 oben nach innen. Ebenso verjüngt sich die gestufte Innenfläche 130 in der Gegenrichtung nach außen und besitzt eine gerundete Rin ne 130a, in der sie auf den inneren Längenabschnitt 128 stößt. Die inneren Längenabschnitte 129 und 131 sind im wesentlichen zylind risch. Der Druckfederkörper 121 besitzt die folgenden Maße:

A² = 0,656 Zoll
B² = 0,468 Zoll
C² = 0,270 Zoll
D²2 = 1,020 Zoll bis
E²= 0,994 Zoll
H² = 0,742 Zoll
L²= 1,040 Zoll

Fig. 9 zeigt die Form des Druckfederkörpers 121 in zusammen gedrücktem Zustand in einer 30 t-Presse, die eine Kraft von annä hernd 960 Pounds ausübt. Das Diagramm in Fig. 10 zeigt die Kräf teverschiebungsmerkmale des Federkörpers 121, während dieser zusam mengedrückt wird. Der Hauptvorteil des Federkörpers 121 ist, daß er eine große Energiemenge absorbiert, wenn er zusammengedrückt wird, jedoch nur sehr wenig Rücksprungkraft zurückgibt, wenn die Kom pressionskraft weggenommen wird. Er hat auch einen relativ langen Kompressionszyklus und fällt um eine Stück von etwa 0,7 Zoll auf eine Länge CL² von nur 0,34 Zoll zusammen, wie in Fig. 9 zu se hen ist.

Der Druckfederkörper 121 bleibt wie der Federkörper 21 während des Kompressionszyklus sehr gut ausgerichtet, da sich sein oberer Abschnitt wie die Sektionen eines Teleskops über seinen unteren Ab schnitt biegt.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird veranschaulicht durch die Druckfedervorform 201 und den Federkörper 221, die in den Fig. 11 bis 14 zu sehen sind. Die Vorform 201 ist aus einem Elastomer Hytrel® mit der Durometerhärte 55 herge stellt und weist eine rohrförmige Form mit einer mittigen Bohrung 202, der inneren Wandfläche 203, der äußeren Wandfläche 204, einem freien Endabschnitt 205 und einem Bodenabschnitt 206 mit einem sich verjüngenden Flansch 207 auf. Die innere Wandfläche 203 weist einen ersten inneren Längenabschnitt 208 mit einem relativ großen Durch messer PA³ und einen zweiten inneren Längenabschnitt 209 mit einem kleineren Durchmesser PB³ auf. Eine gestufte Innenfläche 210 ver bindet die inneren Längenabschnitte 208 und 209. Beide inneren Län genabschnitte 208 und 209 weisen zylindrische Formen auf. In dem Bodenabschnitt 206 besitzt die innere Wandfläche 203 einen dritten inneren Längenabschnitt 211 mit einem Durchmesser PC³. Eine zweite gestufte Innenfläche 212 verbindet die inneren Längenabschnitte 209 und 211.

Die äußere Wandfläche 204 der Vorform 201 weist einen koni schen Abschnitt 213 auf, der sich zwischen einem Halsstück 214 mit kleinem Durchmesser und einem abgeschrägten Eckabschnitt 215 be findet. Die Vorform 201 ist nach den in Fig. 12 angegebenen Be schriftungen mit den folgenden Maßen gestaltet:

PA³ = 0,750 Zoll
PB³ = 0,562 Zoll
PC³ = 0,391 Zoll
PD³ = 0,150 Zoll
PE³ = 1,222 Zoll
PF³ = 0,532 Zoll
PG³ = 0,880 Zoll
PH³ = 0,884 Zoll
PJ⁵ = 0,800 Zoll
PL³ = 1,090 Zoll

Um den fertigen Druckfederkörper 221 aus den Fig. 13 und 14 auszubilden, wird die Vorform 201 in eine Presse eingelegt, und ihre Axiallänge wird von ihrer anfänglichen Länge PL³ von 1,090 Zoll auf eine Länge von 0,545 Zoll verkürzt, was eine axiale Ver kürzung von 50,0 Prozent darstellt. In diesem Falle wird keine Be festigungsvorrichtung benutzt, um die Enddurchmesser des Produktes zu regulieren. Wenn die durch die Presse aufgebrachte Kraft wegge nommen wird, springt die Vorform 201 um das Stück der Länge zurück, um die sie zusammengedrückt wurde, so daß der fertige Federkörper 221 entsteht. Der durch diesen Prozeß ausgebildete Federkörper 221 weist eine Länge L³ von 0,975 Zoll auf. Seine äußere Wandfläche weist einen Längenabschnitt 224a und einen konischen Abschnitt 224b auf. Der innere Längenabschnitt 228 verjüngt sich oben nach innen, und die gestufte Innenfläche 230 verjüngt sich in der gleichen Richtung nach innen. Der innere Längenabschnitte 229 ist nahe an der gestuften Innenfläche 232 zylindrisch, weitet sich jedoch nahe an deren Verbindung mit der gestuften Innenfläche 230 nach außen auf. Der Druckfederkörper 221 besitzt die folgenden Maße:

A³ = 0,700 Zoll
B³ = 0,562 Zoll
C³ = 0,391 Zoll
D³ = 1,210 Zoll bis
E³ = 1,222 Zoll
H³3 = 0,898 Zoll
L³ = 0,980 Zoll

Fig. 14 zeigt die Form des Druckfederkörpers 221 in zusammen gedrücktem Zustand in einer 30 t-Presse, die eine Kraft von annä hernd 1400 Pounds ausübt. Die Länge CL des zusammengedrückten Kör pers 221 beträgt annähernd 0,6 Zoll. Das Diagramm in Fig. 15 zeigt die Kräfteverschiebungsmerkmale des Federkörpers 221, während die ser zusammengedrückt wird. Der Hauptvorteil des Federkörpers 221 ist, daß er eine große Energiemenge absorbiert, wenn er zusammen gedrückt wird, und während des Kompressionszyklus gut ausgerichtet bleibt, auf Grund seiner kompakten Umlegewirkung, wenn sich der in nere Längenabschnitt 223 fest gegen den inneren Längenabschnitt 223 schließt.

Ein weiterer Vorteil des Druckfederkörpers 221 ist die sehr gute Wiederholbarkeit seiner Kräfteverschiebungsmerkmale während seiner anfänglichen Kompressionszyklen nach der Herstellung. Fig. 15 zeigt die drei Kompressionskurven für den Körper 221 während seiner ersten drei Zyklen nach der Herstellung. Es ist nur eine Kurve für die Rücksprungabschnitte in den Zyklen vorhanden, weil diese Abschnitte nahezu identisch sind. Die drei Kompressionskurven zeigen, daß der Körper 221 zwischen dem ersten und dem zweiten Zyk lus nur ein geringes Maß an Steifigkeit und zwischen dem zweiten und dem dritten Zyklus ein noch geringeres Maß an Steifigkeit ein büßt. Deshalb ist für den Druckfederkörper 221 im wesentlichen kei ne Einlaufzeit erforderlich.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird veranschaulicht durch die Druckfedervorform 301 und den Federkörper 321, die in den Fig. 16 bis 19 zu sehen sind. Die Vorform 301 ist aus einem Elastomer Hytrel® mit der Durometerhärte 55 herge stellt und weist eine rohrförmige Form mit einer mittigen Bohrung 302, der inneren Wandfläche 303, der äußeren Wandfläche 304, einem freien Endabschnitt 305 und einem Bodenabschnitt 306 mit einem Flansch auf. Die innere Wandfläche 303 weist einen ersten inneren Längenabschnitt 308 mit einem relativ großen Durchmesser PA⁴ und einen zweiten inneren Längenabschnitt 309 mit einem kleineren Durchmesser PB⁴ auf. Eine gestufte Innenfläche 310 verbindet die inneren Längenabschnitte 308 und 309. Beide inneren Längenabschnit te 308 und 309 weisen zylindrische Formen auf. In dem Bodenab schnitt 306 besitzt die innere Wandfläche 303 einen dritten inneren Längenabschnitt 311 mit einem Durchmesser PC⁴. Eine zweite gestufte Innenfläche 312 verbindet die inneren Längenabschnitte 309 und 311.

Die äußere Wandfläche 304 der Vorform 301 weist eine konische Form auf, wobei sich ein Abschnitt mit größerem Durchmesser von dem ersten inneren Längenabschnitt 308 radial nach außen erstreckt und sich ein Abschnitt mit kleinerem Durchmesser von dem zweiten in neren Längenabschnitt 309 radial nach außen erstreckt. Die Vorform 301 ist nach den in Fig. 17 angegebenen Beschriftungen mit den folgenden Maßen gestaltet:

PA⁴ = 0,625 Zoll
PB⁴ = 0,437 Zoll
PC⁴ = 0,275 Zoll
PD⁴ = 0,998 Zoll
PE⁴ = 0,998 Zoll
PF⁴ = 0,494 Zoll
PG⁴ = 0,810 Zoll
PH³ = 0,640 Zoll
PJ⁴ = 1,010 Zoll
PL⁴ = 1,195 Zoll

Um den fertigen Druckfederkörper 321 aus den Fig. 18 und 19 auszubilden, wird die Vorform 301 in eine Presse eingelegt, und ihre Endflächen werden in einer Befestigungsvorrichtung gehalten, um deren Ausdehnung zu verhindern. Die Presse verkürzt die Länge der Vorform 301 von ihrer anfänglichen Axiallänge PL⁴ von 1,195 Zoll auf 0,642 Zoll, was eine axiale Verkürzung von 46,3 Prozent darstellt. Dann wird die durch die Presse aufgebrachte Kraft weg genommen, wodurch die Vorform 301 um das Stück der Länge zurück springen kann, um die sie zusammengedrückt wurde, so daß der ferti ge Druckfederkörper 321 entsteht. Der durch diesen Prozeß ausge bildete Druckfederkörper 321 weist eine Länge L⁴ von 1,085 Zoll auf. Seine äußere Wandfläche weist Längenabschnitte 324a und 324b auf, die im wesentlichen zylindrisch sind, und eine gerundete ge stufte Außenfläche 324c. Der Längenabschnitt 324a dehnt sich etwas aus, wenn er aus der Befestigungsvorrichtung gelöst ist. Er wölbt sich nahe an der gestuften Außenfläche 324c auch etwas nach außen, so daß sich der Durchmesser D⁴ von 1,020 Zoll an dem Endabschnitt 325 auf 1,040 Zoll nahe an der gestuften Fläche 324c vergrößert. Ebenso wölbt sich der Längenabschnitt 324b nahe an dem Flansch 327 etwas nach außen, so daß der Durchmesser H⁴ von 0,622 Zoll nahe an der gestuften Fläche 324c auf 0,640 Zoll nahe an der Verindungs stelle mit dem Flansch 327 vergrößert. Der innere Längenabschnitt 328 verjüngt sich oben etwas nach innen. Der innere Längenabschnitt 329 ist nahe an der gestuften Innenfläche 332 zylindrisch und läuft zu einer gerundeten gestuften Innenfläche 330 zusammen. Die gestuf te Innenfläche 330 weist eine kleine Rinne 333 auf, an der sie sich an den inneren Längenabschnitt 328 anschließt. Der Druckfederkör per 321 besitzt die folgenden Maße:

A⁴ = 0,656 Zoll
B⁴ = 0,425 Zoll
C⁴ = 0,275 Zoll
D⁴ = 1,020 Zoll bis 1,040 Zoll
E⁴ = 0,998 Zoll
H⁴ = 0,622 Zoll bis 0,640 Zoll
L⁴ = 1,100 Zoll

Fig. 4 zeigt die Form des Druckfederkörpers 21 in zusammen gedrücktem Zustand in der 30 t-Presse, die eine Kraft von annä hernd 135 Pounds ausübt. Das Diagramm in Fig. 20 zeigt die Kräfte verschiebungsmerkmale des Federkörpers 321. Der Hauptvorteil des Federkörpers 321 ist, daß er im wesentlichen die gesamte Energie absorbiert, die auf ihn aufgebracht wird, und im wesentlichen keine Rücksprungkraft ausübt, wenn die Kompressionskraft weggenommen ist. Wie die Kurve in Fig. 20 zeigt, fällt der Körper 321, wenn er un ter einer Kraft von etwa 100 Pounds um etwa 0,125 Zoll zusammenge drückt ist, um weitere 0,20 Zoll zusammen, solange die verbleiben de Kraft größer ist als 60 Pounds. Dann ist eine Kraft von etwa 135 Pounds erforderlich, um den Körper 321 auf eine Länge CL⁴ von 0,60 Zoll zu verkürzen, wie in Fig. 19 zu sehen ist. Wenn die Kom pressionskraft weggenommen wird, kann der Druckfederkörper 321 in seinem zusammengedrückten Zustand in Fig. 19 mindestens mehrere Minuten lang verbleiben. Nach diesem Zeitraum oder vielleicht un mittelbar nach Wegnahme der Kompressionskraft kehrt der Körper 321 in seine ursprüngliche Form von Fig. 18 zurück. Während dieser Rückbildung übt der Körper 321 wenig oder keine Rücksprungkraft aus.

Während des Kompressionszyklus bleibt der Druckfederkörper 321 sehr gut ausgerichtet, da sich sein oberer Abschnitt wie die Sek tionen eines Teleskops über seinen unteren Abschnitt biegt. Ebenso weist der Federkörper 321 eine sehr gute Wiederholbarkeit seiner Kräfteverschiebungsmerkmale auf und vermindert auf diese Weise un beständige aufhaltende Kräfte in aufeinanderfolgenden Kompressions zyklen. Für den Federkörper 321 ist im wesentlichen keine Einlauf zeit erforderlich.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Er findung zeigen, daß ein rohrförmiger thermoplastischer elastomerer Druckfederkörper so gestaltet werden kann, daß er eine Vielzahl von Kurven für die Kräfteverschiebungsmerkmale aufweist, indem seine inneren und äußeren Wandflächen in geeigneter Weise geformt werden. Werden die in diesen Ausführungsformen dargestellten Verfahren an gewandt, können diese Druckfederkörper so gestaltet werden, daß sie großen Energiemengen absorbieren und dabei wenig oder keine Rück sprungkraft entwickeln. Ebenso können die Körper so gestaltet wer den, daß sie sich weniger wahrscheinlich verschieben, wenn sie zu sammengedrückt werden, und auch so, daß sie die gleiche Kräftever schiebungskurve in aufeinanderfolgenden Kompressionszyklen wieder holen.

Es wurden zwar mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Er findung dargestellt und beschrieben, jedoch werden natürlich auch andere Ausführungsformen, Modifikationen und Zusätze für die Fach leute offensichtlich, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

1. Energieabsorbierender Druckfederkörper (21, 121, 221, 321), der aus einem thermoplastischen elastomeren Material herge stellt wird, wobei der Körper eine rohrförmige Form mit einer inne ren Wandfläche (3, 103, 203, 303) und einer äußeren Wandfläche (4, 104, 204, 304) und Endabschnitten (5, 105, 205, 305) aufweist, zwi schen denen der Körper an einer Längsachse entlang zusammengedrückt werden kann, worin die Verbesserung umfaßt:

(a) daß die innere Wandfläche einen ersten inneren Längenab schnitt (8, 108, 208, 308) mit einem relativ großen Durch messer, einen zweiten inneren Längenabschnitt (9, 109, 209, 309) mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten inneren Längenabschnitts, und eine gestufte Innenfläche (10, 100, 200, 300) aufweist, die diese inneren Längenabschnitte der inneren Wandfläche ver bindet; und
(b) die äußere Wandfläche einen ersten äußeren Längenab schnitt (24a, 124a, 224a, 324a), der von dem ersten inne ren Längenabschnitt (24b, 124b, 224b, 324b) der inneren Wandfläche radial nach außen verläuft, und eine gestufte Außenfläche (24c, 124c, 224c, 324c) aufweist, die sich von dem ersten äußeren Längenabschnitt nach innen erstreckt und an der Längsachse entlang zwischen der gestuften In nenseite und dem Endabschnitt liegt, der sich am nächsten zu dem zweiten inneren Längenabschnitt der inneren Wand fläche befindet;

wodurch dann, wenn der Druckfederkörper an seiner Längsachse ent lang zusammengedrückt wird, sich der erste innere Längenabschnitt und die gestufte Innenseite der inneren Wandfläche in Richtung zu einander biegen.

2. Energieabsorbierender Druckfederkörper nach Anspruch 1, worin die Verbesserung ebenfalls umfaßt:

(c) daß die ersten und zweiten inneren Längenabschnitte der inneren Wandfläche und der erste Längenabschnitt der äuße ren Wandfläche im wesentlichen zylindrisch sind;
(d) die gestufte Innenseite in einer im wesentlichen radialen Richtung in bezug auf die Längsachse verläuft; und
(e) ein im wesentlichen zylindrischer zweiter äußerer Längen abschnitt der äußeren Wandfläche einen Durchmesser auf weist, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten äu ßeren Längenabschnitts, wobei der zweite äußere Längen abschnitt von der gestuften Innenfläche ausgeht und von dem zweiten inneren Längenabschnitt radial nach außen ver läuft.

3. Energieabsorbierender Druckfederkörper nach Anspruch 1, worin die Verbesserung ebenfalls umfaßt:

(c) daß der zweite innere Längenabschnitt der inneren Wand fläche und der erste Längenabschnitt der äußeren Wandflä che im wesentlichen zylindrisch sind;
(d) der erste innere Längenabschnitt der inneren Wandfläche im wesentlichen konisch ist und seinen größten Durchmesser an seinem Ende aufweist, das am nächsten zu der gestuften In nenseite liegt;
(e) die gestufte Innenfläche einen eingelassenen Abschnitt im Bereich des ersten inneren Längenabschnitts aufweist; und
(f) ein im wesentlichen zylindrischer zweiter äußerer Längen abschnitt der äußeren Wandfläche einen Durchmesser auf weist, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten äu ßeren Längenabschnitts, wobei der zweite äußere Längen abschnitt von der gestuften Außenseite ausgeht und sich von dem zweiten inneren Längenabschnitt radial nach außen erstreckt.

4. Energieabsorbierender Druckfederkörper nach Anspruch 1, worin die Verbesserung ebenfalls umfaßt:

(c) daß der erste äußere Längenabschnitt der äußeren Wandflä che im wesentlichen zylindrisch ist;
(d) der erste innere Längenabschnitt der inneren Wandfläche im wesentlichen konisch ist und seinen größten Durchmesser an seinem Ende aufweist, das am nächsten zu der gestuften Innenseite liegt;
(e) die gestufte Innenseite im wesentlichen konisch ist und ihren größten Durchmesser an ihrem Ende aufweist, das am nächsten zu dem ersten inneren Längenabschnitt liegt, und sich von dem Ende mit dem größten Durchmesser aus in Längsrichtung an dem Körper entlang in der gleichen Rich tung erstreckt wie der erste innere Längenabschnitt; und
(f) der zweite innere Längenabschnitt der inneren Wandfläche im wesentlichen konisch ist und seinen größten Durchmesser an seinem Ende aufweist, das am nächsten zu der gestuften Innenseite liegt;
5. Energieabsorbierender Druckfederkörper nach Anspruch 1, worin die Verbesserung ebenfalls umfaßt:
(c) daß der Endabschnitt des Körpers, der am nächsten zu dem zweiten äußeren und dem zweiten inneren Längenabschnitten ein Basisabschnitt ist, der einen dritten äußeren Längen abschnitt der äußeren Wandfläche aufweist, der von einem Durchmesser ist, der größer ist als der Durchmesser des zweiten äußeren Längenabschnitts, und auch einen dritten inneren Längenabschnitt der äußeren Wandfläche mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des zwei ten inneren Längenabschnitts; und
(d) eine zweite gestufte Innenseite (12, 112, 212, 312), die die zweite innere Längenfläche (9, 109, 209, 309) mit der dritten inneren Wandfläche (11, 111, 211, 311) verbindet, wobei die zweite gestufte Innenseite in ein Befestigungs element eingreifen kann, um den Druckfederkörper mit einem anderen Maschinenelement zu verbinden.

6. Vorform für einen energieabsorbierenden Druckfederkörper, der aus einem thermoplastischen elastomeren Material hergestellt wird, wobei die Vorform eine rohrförmige Form mit inneren und äu ßeren Wandflächen und Endbereichen aufweist, zwischen denen der Körper an einer Längsachse entlang zusammengedrückt werden kann, worin die Verbesserung umfaßt:

(a) daß die innere Wandfläche einen ersten inneren Längenab schnitt mit einem relativ großen Durchmesser, einen zwei ten inneren Längenabschnitt mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten inneren Längen abschnitts, und eine gestufte Innenfläche aufweist, die diese inneren Längenabschnitte der inneren Wandfläche ver bindet; und
(b) die äußere Wandfläche eine im wesentlichen konische Form aufweist, wobei ein Abschnitt mit einem größeren Durchmes ser von dem ersten inneren Längenabschnitt radial nach au ßen verläuft und ein Abschnitt mit einem kleineren Durch messer von dem zweiten inneren Längenabschnitt radial nach nach außen verläuft.

7. Vorform für einen energieabsorbierenden Druckfederkörper nach Anspruch 6, worin die Verbesserung umfaßt:

(c) daß der Endabschnitt der Vorform, der am nächsten zu dem zweiten äußeren und dem zweiten inneren Längenabschnitten liegt, ein Basisabschnitt ist, der einen dritten äußeren Längenabschnitt der äußeren Wandfläche aufweist, der von einem Durchmesser ist, der größer ist als der Durchmesser des zweiten äußeren Längenabschnitts, und auch einen drit ten inneren Längenabschnitt der äußeren Wandfläche mit ei nem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des zweiten inneren Längenabschnitts; und
(d) eine zweite gestufte Innenseite, die zweite innere Längen fläche mit der dritten inneren Wandfläche verbindet.

8. Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Druckfederkörpers, umfassend die folgenden Schritte:

(a) Herstellung einer rohrförmigen Vorform eines thermoplasti schen elastomeren Materials mit einer inneren Wandfläche mit einem ersten inneren Längenabschnitt mit einem relativ großen Durchmesser, einem zweiten inneren Wandabschnitt mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten inneren Längenabschnitts, und mit einer gestuf ten Innenseite, die die inneren Längenabschnitte verbin det, wobei die rohrförmige Vorform auch einen äußeren Län genabschnitt mit einer im wesentlichen konischen Form auf weist, wobei ein Abschnitt der konischen Form mit einem größeren Durchmesser von dem ersten inneren Längenab schnitt radial nach außen verläuft und ein zweiter Ab schnitt der konischen Form mit einem kleineren Durchmesser von dem weiten inneren Längenabschnitt radial nach außen verläuft;
(b) Zusammendrücken der Vorform an deren Längsachse entlang um einen Wert, der gleich mindestens 25 Prozent der ursprüng licher Länge der Vorform ist; und
(c) Zurückspringenlassen der zusammengedrückten Vorform zu ei ner fertigen Form, so daß ein Druckfederkörper entsteht.