DE19700629B4

DE19700629B4 - Energieaufnehmender Druckfederkörper und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE19700629B4
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: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2017-01-11
Also published as: US5791637A; DE19700629A1

Abstract

Energieabsorbierender Druckfederkörper (121), der aus einem elastomeren Material hergestellt wird, wobei der Körper (121) eine rohrförmige Form mit einer inneren Wandfläche (123) und einer äußeren Wandfläche und Endabschnitten (125, 126) aufweist, zwischen denen der Körper (121) entlang einer Längsachse (Y2) zusammengedrückt werden kann, wobei vorgesehen ist, dass: (a) die innere Wandfläche (123) einen ersten inneren Längenabschnitt (128) mit einem großen Durchmesser (A2), einen zweiten inneren Längenabschnitt (129) mit einem Durchmesser (B2), der kleiner ist als der Durchmesser (A2) des ersten inneren Längenabschnitts (128), und eine innere Stufenfläche (130) aufweist, die diese inneren Längenabschnitte (128; 129) verbindet; und (b) die äußere Wandfläche einen ersten äußeren Längenabschnitt (124a), der radial auswärts von dem ersten inneren Längenabschnitt (128) verläuft, und eine äußere Stufenfläche (124b) aufweist, die sich von dem ersten äußeren Längenabschnitt (124a) nach innen erstreckt und entlang der Längsachse (Y2) zwischen der inneren Stufenfläche (130) und dem Endabschnitt (126) liegt,...

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Druckfedern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und im besonderen rohrförmige elastomere Druckfedern, die dazu vorgesehen sind, Stöße in Fahrzeugstoßstangenanordnungen und anderen Vorrichtungen zu dämpfen, auf die Stöße einwirken.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorform sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Druckfedern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Rohrförmige Druckfedern, die aus thermoplastischen elastomeren Materialien hergestellt werden, sind auf Grund ihrer hohen Energieabsorptionseigenschaften in den letzten Jahren sehr beliebt geworden. Sie haben sich als besonders geeignet in Fahrzeugstoßstangenanordnungen sowie in anderen Vorrichtungen erwiesen, auf plötzliche Stöße oder Schüttelvorgänge einwirken. Ein bevorzugtes Material für diese Druckfedern ist ein copolymeres Elastomer, hergestellt unter dem Warenzeichen Hytrel^® von E. I. du Pont de Nemours. Beispiele für Druckfedern, die aus diesem Material hergestellt sind, sind dargestellt in den 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.
Aus der US 3 305 227 A ist eine Druckfeder aus elastomeren oder gummiartigen Material, wie Gummi, Polyurethan und dergleichen bekannt. Die Druckfeder ist ein zylinderförmiger Hohlkörper mit gestufter Außenfläche, wobei der Durchmesser der Außenfläche von unten nach oben schrittweise abnimmt. Der Vorteil des offenbarten Designs liegt darin, der Feder eine große Auslenkungsrate und eine Fähigkeit zu verleihen, federnd über einen großen Anteil, üblicherweise mehr als die Hälfte seiner freien oder unbelasteten Höhe komprimiert zu werden. Diese große Auslenkungsrate ist besonders nützlich als ein Mittel zum graduellen Absorbieren von Stößen, wie zum Beispiel als Fahrzeugachsfedern oder Stoßdämpfer.
Aus der US 3 368 806 A ist eine Druckfeder aus elastischem Material und mit einer kuppelartigen, einseitig geöffneten Form bekannt. Die Druckfeder weist eine innere Stufenfläche auf, wobei der Durchmesser der durch die Stufenfläche getrennten Wandabschnitte von der offenen Seite der Druckfeder zur kuppelförmigen Nase der. Druckfeder hin abnimmt. Die Stufenflächen stellen Sollbiegepunkte des Druckfederkörpers dar. Das elastische Verhalten dieser Feder wird durch die vorgegebenen Sollbiegepunkte eingestellt und entsprechend den jeweiligen Anforderungen angepasst.
In der US 3 037 764 A ist ein elastomerer oder gummiartiger Druckfederkörper offenbart, der im Wesentlichen röhrenförmig oder konisch ausgebildet ist. Im unbelasteten Zustand weist die Außenfläche des Druckfederkörpers Rillen oder Ausnehmungen auf, die sich um den Umfang des Druckfederkörpers erstrecken. Unter einer Druckbelastung kann der Druckfederkörper soweit zusammengepresst. werden, bis sich die auf der Außenfläche befindlichen Ausnehmungen geschlossen haben.
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 speichern 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 aufgenommen haben. Deshalb werden diese elastomeren Druckfedern nicht sehr oft für Situationen eingesetzt, in denen eine dauerhafte Stoßdämpfung erforderlich ist. Statt dessen werden hydraulische Stoßdämpfer und andere ausgeklügelte energieabsorbierende Vorrichtungen angewandt.
Solche Stoßdämpfer sind sehr teuer, da in ihnen komplizierte mechanische Vorrichtungen verwendet werden, wie zum Beispiel mehrere Hochdruckfluidkammern mit Öffnungen.
Ein weiteres Problem bei elastomeren Druckfedern ist die Neigung 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 Elastomer vollständig einstellt, so dass sie übereinstimmend mit der Kurve einer ständigen Kräfteverschiebung funktionieren. Wird eine elastomere Feder zusammengedrückt, bevor sie sich vollständig einstellt, springt sie nicht auf die Länge zurück, die sie aufwies, bevor sie zusammengedrückt wurde.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermoplastischen elastomeren Druckfederkörper zu schaffen, der Maschinenelemente nicht nur vor Stößen schützt, sondern auch einen großen Teil der Energie absorbiert, die sie aufnimmt, und dadurch die Rücksprungkräfte vermindert oder beseitigt, wenn die Kompressionskräfte weggenommen sind.
Diese Aufgabe wird erfüllt, indem ein Druckfederkörper geschaffen wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoplastische elastomere Druckfeder, die sich nicht verschieben kann, während sie zusammengedrückt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoplastische elastomere Druckfeder, die auch während ihres anfänglichen Gebrauchs beständig funktioniert.
Durch die teleskopartige Bewegung der Elemente des Druckfederkörpers gemäß Anspruch 1 entsteht ein Druckfederkörper, der ausgerichtet bleibt und dauerhaft Energie absorbiert und Rücksprungkräfte vermindert oder beseitigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch erfüllt durch das Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Druckfederkörpers gemäß Anspruch 5.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden klarer ersichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht von oben auf eine Vorform für einen Druckfederkörper, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Vorform von 1 längs der Linie II-II von 1;
3 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Druckfederkörpers, der aus der Vorform der 1 und 2 hergestellt wurde;
4 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Druckfederkörpers von 3, während sich der Körper in Gebrauch und in zusammengedrücktem Zustand befindet;
5 ist ein Diagramm, das die Kräfteverschiebungsmerkmale des Druckfederkörpers von 3 und 4 zeigt;
6 ist eine Ansicht von oben auf eine Vorform für einen Druckfederkörper, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Vorform von 6 längs der Linie VII-VII von 6;
8 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Druckfederkörpers, der aus der Vorform der 6 und 7 hergestellt wurde;
9 ist eine Seitenansicht des Druckfederkörpers von 8, während sich der Körper in Gebrauch und in zusammengedrücktem Zustand befindet;
10 ist ein Diagramm, das die Kräfteverschiebungsmerkmale des Druckfederkörpers von den 8 und 9 zeigt;
11 ist eine Ansicht von oben auf eine Vorform für einen Druckfederkörper, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Vorform von 11 längs der Linie XII-XII von 11;
13 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Druckfederkörpers, der aus der Vorform der 11 und 12 hergestellt wurde;
14 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Druckfederkörpers von 13, während sich der Körper in Gebrauch und in zusammengedrücktem Zustand befindet;
15 ist ein Diagramm, das die Kräfteverschiebungsmerkmale des Druckfederkörpers von den 13 und 14 zeigt, während dieser nach der Herstellung ersten, zweiten und dritten Kompressionstakten unterworfen wird;
16 ist eine Ansicht von oben auf eine Vorform für einen Druckfederkörper, die eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Vorform von 16 längs der Linie XVII-XVII von 16;
18 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Druckfederkörpers, der aus der Vorform der 16 und 17 hergestellt wurde;
19 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Druckfederkörpers von 18, während sich der Körper in Gebrauch und in zusammengedrücktem Zustand befindet; und
20 ist ein Diagramm, das die Kräfteverschiebungsmerkmale des Druckfederkörpers von den 18 und 19 zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die 1 bis 4 stellen keine erfindugnsgemäße Ausführungsform dar. Die in den 1 und 2 dargestellte Druckfedervorform 1 kann an einer Längsachse x¹ entlang zusammengedrückt werden und kann dann so zurückspringen, dass ein fertiger Druckfederkörper 21 entsteht, der in den 3 und 4 zu sehen ist.
Die Vorform 1 ist aus einem thermoplastischen elastomeren Material hergestellt, vorzugsweise aus einem, das sehr gute Energieabsorptionseigenschaften aufweist. Das bevorzugte Material für diesen Zweck ist ein copolymeres Elastomer, hergestellt unter dem Warenzeichen Hytrel^® von E. I. du Pont de Nemours. Wie in den 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 2, einer inneren Wandfläche 3 und einer äußeren Wandfläche 4 auf. Die Vorform 1 wird vorzugsweise in der Form geformt, die in 2 zu sehen ist. Die mittige Bohrung 2 kann jedoch maschinell so herausgearbeitet werden, dass die innere Wandfläche 3 entsteht, wenn das Element in der Form der äußeren Wandfläche 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 Bodenabschnitt 6 mit einem Flansch 7 auf. Die innere Wandfläche 3 weist einen ersten inneren Längenabschnitt 8 mit einem relativ großen Durchmesser PA¹ und einen zweiten inneren Längenabschnitt 9 mit einem kleineren Durchmesser PB¹ auf. Eine innere Stufenfläche 10 verbindet die inneren Längenabschnitte 8 und 9. Beide inneren Längenabschnitte 8 und 9 weisen zylindrische Formen auf. In dem Bodenabschnitt 6 weist die innere Wandfläche 3 einen dritten inneren Längenabschnitt 11 mit einem Durchmesser PC¹ auf. Eine zweite innere Stufenfläche 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 radial auswärts von dem ersten inneren Längenabschnitt 8 erstreckt und sich ein Abschnitt mit kleinerem Durchmesser 14 radial auswärts von dem zweiten inneren Längenabschnitt 9 erstreckt.
Die in den 1 und 2 dargestellte Vorform 1 ist nach den in 2 angegebenen Beschriftungen mit den folgenden Maßen gestaltet:
PA¹ = 1,746 cm (0,6875 Zoll)
PB¹ = 1,27 cm (0,500 Zoll)
PC¹ = 0,686 cm (0,270 Zoll)
PD¹ = 2,49 cm (0,980 Zoll)
PE¹ = 2,49 cm (0,980 Zoll)
PF¹ = 1,334 cm (0,525 Zoll)
PG¹ = 2,07 cm (0,815 Zoll)
PH¹ = 1,697 cm (0,668 Zoll)
PJ¹ = 2,210 cm (0,870 Zoll)
PL¹ = 2,857 cm (1,125 Zoll)
Um den fertigen Druckfederkörper 21 aus den 3 und 4 auszubilden, wird die Vorform 1 aus den 1 und 2 in eine Presse eingelegt, die eine Kompressionskraft an der Achse x¹ entlang aufbringt. Während sich die Vorform 1 in dieser Presse befindet, werden ihre Enden in einer Befestigungsvorrichtung gehalten, so dass die Durchmesser PD¹ und PE¹ der Vorform von je 2,49 cm (0,980 Zoll) (2) in dem gleichen Maß verbleiben wie die Durchmesser D¹ und E¹ des Federkörpers 21 (3). Die durch die Presse aufgebrachte Kraft wird auf ein Ausmaß erhöht, das so groß ist, dass die Axiallänge der Vorform 1 um mindestens 25 Prozent reduziert wird. In diesem Falle wird die anfängliche Länge PL¹ von 2,857 cm (1,125 Zoll) auf eine Länge von 1,631 cm (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 zurückspringen kann, um die sie zusammengedrückt wurde, so dass der fertige Druckfederkörper 21 in den 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 2,667 cm (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 äußere Stufenfläche 24c verbunden werden. Der Längenabschnitt 24 wölbt sich nahe an der äußeren Stufenfläche 24c etwas nach außen und weist an dem Endabschnitt 5 einen Durchmesser D⁴ von 2,49 cm (0,980 Zoll) und nahe an der Stufenfläche 24c einen solchen von 2,591 cm (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 1,746 cm (0,6875 Zoll) einen Enddurchmesser A¹ von 1,715 cm (0,675 Zoll) aufweist. Der Druckfederkörper 21 besitzt die folgenden Maße:
A¹ = 1,715 cm (0,675 Zoll)
B¹ = 1,219 cm (0,480 Zoll)
C¹ = 0,686 cm (0,270 Zoll)
D¹ = 2,49 cm (0,980 Zoll) bis 2,591 cm (1,020 Zoll)
E¹ = 2,49 cm (0,980 Zoll)
H¹ = 1,773 cm (0,698 Zoll)
L¹ = 2,667 cm (1,050 Zoll)
Der Druckfederkörper 21 weist eine dritte innere Wandfläche 31 und eine zweite innere Stufenfläche 32 auf, die so konstruiert sind, dass sie eine Schraube oder ein anderes Befestigungsmittel halten. Ein solches Befestigungsmittel kann dazu dienen, die Druckfeder an einem anderen Maschinenelement anzubringen.
4 zeigt die Form des Druckfederkörpers 21 in zusammengedrücktem Zustand in einer 30 t-Presse, die eine Kraft von annähernd 40,9 kg (90 Pounds) ausübt. Das Diagramm in 5 zeigt die Kräfteverschiebungsmerkmale des Federkörpers 21. Die Kurve in diesem Diagramm sowie die Kurven in den 10, 15 und 20 wurden erzeugt, während sich die Presse mit 1,016 m/min (40 Zoll/min) bewegte, wobei elektrische Verschiebungs- und Kraftsensoren mit proportionalen Spannungsausgängen 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 40,9 kg (90 Pounds) um etwa 0,254 cm (0,1 Zoll) zusammengedrückt wurde, um weitere 0,224 cm (0,088 Zoll) auf eine Länge CL¹ von 2,189 cm (0,862 Zoll) (4) zusammen, solange die auf ihn aufgebrachte Kraft nur leicht über 13,6 kg (30 Pounds) bleibt. Der Körper 21 kann mehrere Stunden lang in diesem zusammengedrückten Zustand verbleiben, und danach springt er in seine ursprüngliche Form in 3 zurück.
Der Körper 21 kann auf eine Länge CL¹ von weniger als 2,189 cm (0,862 Zoll) weiter zusammengedrückt werden. Es wäre jedoch eine wesentlich größere Kraft erforderlich, und es würde eine bestimmte Rücksprungkraft auftreten, wenn diese hohe Kompressionskraft weggenommen wird.
Der Druckfederkörper 21 bleibt während des Kompressionszyklus sehr gut ausgerichtet, da sich sein oberer Abschnitt wie die Sektionen eines Teleskops über seinen unteren Abschnitt biegt.
Der Druckfederkörper 21 weist einen relativ kurzen Kompressionszyklus auf, jedoch lässt sich dieser Kompressionszyklus verlängern, wenn mehrere Federkörper 21 hintereinander benutzt werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird veranschaulicht durch die Druckfedervorform 101 und den Federkörper 121, die in den 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 zurückbildet, wenn die auf ihn wirkende Kompressionskraft weggenommen wird. Der Federkörper 121 weist auch einen längeren Kompressionszyklus auf als der Federkörper 21 in den 3 und 4.
In 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 Längenabschnitt 108 mit einem relativ grossen Durchmesser PA² und einen zweiten inneren Längenabschnitt 109 mit einem kleineren Durchmesser PB² auf. Eine innere Stufenfläche 110 verbindet die inneren Längenabschnitte 108 und 109. Beide inneren Längenabschnitte 108 und 109 weisen zylindrische Formen auf. In dem Bodenabschnitt 106 besitzt die innere Wandfläche 103 einen dritten inneren Längenabschnitt 111 mit einem Durchmesser PC². Eine zweite innere Stufenfläche 112 verbindet die inneren Längenabschnitte 109 und 111.
Die äußere Wandfläche 104 der Vorform 1 weist eine im allgemeinen konische Form auf, besitzt jedoch auch einen kurzen zylindrischen 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 Halsstück 114 und der Unterkante 115 des zylindrischen Abschnitts 113 konisch.
Die in den 6 und 7 dargestellte Vorform 101 ist nach den in 7 angegebenen Beschriftungen mit den folgenden Maßen gestaltet:
PA² = 1,746 cm (0, 6875 Zoll)
PB² = 1,189 cm (0,468 Zoll)
PC² = 0, 68 6 cm (0,270 Zoll)
PD² = 2,525 cm (0,994 Zoll)
PE² = 2,525 cm (0,994 Zoll)
PF² = 1,651 cm (0,650 Zoll)
PG² = 2,311 cm (0,910 Zoll)
PH² = 1,803 cm (0,710 Zoll)
PJ² = 2,54 cm (1,000 Zoll)
PK¹ = 0,851 cm (0,335 Zoll)
PL² = 2,858 cm (1,125 Zoll)
PM² = 2,197 cm (0,865 Zoll)
Um den fertigen Druckfederkörper 121 aus den 8 und 9 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 2,858 cm (1,125 Zoll) auf 1,631 cm (0,642 Zoll) zusammen, was eine axiale Verkürzung von 42,9 Prozent darstellt. Dann wird die durch die Presse aufgebrachte Kraft weggenommen, wodurch die Vorform 101 um das Stück der Länge zurückspringen kann, um die sie zusammengedrückt wurde, so dass der fertige Druckfederkörper 121 in den 8 und 9 entsteht. Der durch diesen Prozess ausgebildete Druckfederkörper 121 weist eine Länge L² von 2,642 cm (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 äußere Stufenfläche 124b verbunden werden. Der Längenabschnitt 124a mit einem großen Durchmesser dehnt sich, wenn er aus der Befestigungsvorrichtung gelöst ist, etwas nach außen aus von einem Durchmesser PD² von 2,524 cm (0,994 Zoll) (7) auf einen Durchmesser D² von 2,591 cm (1,020 Zoll) (8). Dagegen verjüngt sich der innere Längenabschnitt 128 oben nach innen. Ebenso verjüngt sich die innere Stufenfläche 130 in der Gegenrichtung nach außen und besitzt eine gerundete Rinne 130a, in der sie auf den inneren Längenabschnitt 128 stößt. Die inneren Längenabschnitte 129 und 131 sind im wesentlichen zylindrisch. Der Druckfederkörper 121 besitzt die folgenden Maße:
A² = 1,666 cm (0,656 Zoll)
B² = 1,189 cm (0,468 Zoll)
C² = 0,686 cm (0,270 Zoll)
D² = 2,591 cm (1,020 Zoll)
E² = 2,524 cm (0,994 Zoll)
H² = 1,885 cm (0,742 Zoll)
L² = 2,642 cm (1,040 Zoll)
9 zeigt die Form des Druckfederkörpers 121 in zusammengedrücktem Zustand in einer 30 t-Presse, die eine Kraft von annähernd 436,4 kg (960 Pounds) ausübt. Das Diagramm in 10 zeigt die Kräfteverschiebungsmerkmale des Federkörpers 121, während dieser zusammengedrückt 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 Kompressionskraft weggenommen wird. Er hat auch einen relativ langen Kompressionszyklus und fällt um ein Stück von etwa 1,778 cm (0,7 Zoll) auf eine Länge CL² von nur 0,864 cm (0,34 Zoll) zusammen, wie in 9 zu sehen 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 Abschnitt biegt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird veranschaulicht durch die Druckfedervorform 201 und den Federkörper 221, die in den 11 bis 14 zu sehen sind. Die Vorform 201 ist aus einem Elastomer Hytrel^® mit der Durometerhärte 55 hergestellt 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 Durchmesser PA³ und einen zweiten inneren Längenabschnitt 209 mit einem kleineren Durchmesser PB³ auf. Eine innere Stufenfläche 210 verbindet die inneren Längenabschnitte 208 und 209. Beide inneren Längenabschnitte 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 innere Stufenfläche 212 verbindet die inneren Längenabschnitte 209 und 211.
Die äußere Wandfläche 204 der Vorform 201 weist einen konischen Abschnitt 213 auf, der sich zwischen einem Halsstück 214 mit kleinem Durchmesser und einem abgeschrägten Eckabschnitt 215 befindet. Die Vorform 201 ist nach den in 12 angegebenen Beschriftungen mit den folgenden Maßen gestaltet:
PA³ = 1,905 cm (0,750 Zoll)
PB³ = 1,427 cm (0,562 Zoll)
PC³ = 0,993 cm (0,391 Zoll)
PD³ = 0,381 cm (.0, 150 Zoll)
PE³ = 3,104. cm (1,222 Zoll)
PF³ = 1,351 cm (0,532 Zoll)
PG³ = 2,235 cm (0,880 Zoll)
PH³ = 2,245 cm (0,884 Zoll)
PJ³ = 2,032 cm (0,800 Zoll)
PL³ = 2,769 cm (1,090 Zoll)
Um den fertigen Druckfederkörper 221 aus den 13 und 14 auszubilden, wird die Vorform 201 in eine Presse eingelegt, und ihre Axiallänge wird von ihrer anfänglichen Länge PL³ von 2,769 cm (1,090 Zoll) auf eine Länge von 1,384 cm (0,545 Zoll) verkürzt, was eine axiale Verkürzung von 50,0 Prozent darstellt. In diesem Falle wird keine Befestigungsvorrichtung benutzt, um die Enddurchmesser des Produktes zu regulieren. Wenn die durch die Presse aufgebrachte Kraft weggenommen 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 2,477 cm (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 innere Stufenfläche 230 verjüngt sich in der gleichen Richtung nach innen. Der innere Längenabschnitt 229 ist nahe an der inneren Stufenfläche 232 zylindrisch, weitet sich jedoch nahe an deren Verbindung mit der inneren Stufenfläche 230 nach außen auf. Der Druckfederkörper 221 besitzt die folgenden Maße:
A³ = 1,778 cm (0,700 Zoll)
B³ = 1,427 cm (0,562 Zoll)
C³ = 0,993 cm (0,391 Zoll)
D³ = 3,073 cm (1,210 Zoll)
E³ = 3,104 cm (1,222 Zoll)
H³ = 2,281 cm (0,898 Zoll)
L³ = 2,489 cm (0,980 Zoll)
14 zeigt die Form des Druckfederkörpers 221 in zusammengedrücktem Zustand in einer 30 t-Presse, die eine Kraft von annähernd 636,4 kg (1400 Pounds) ausübt. Die Länge CL³ des zusammengedrückten Körpers 221 beträgt annähernd 1,524 cm (0,6 Zoll). Das Diagramm in 15 zeigt die Kräfteverschiebungsmerkmale des Federkörpers 221, während dieser zusammengedrückt wird. Der Hauptvorteil des Federkörpers 221 ist, dass er eine große Energiemenge absorbiert, wenn er zusammengedrückt wird, und während des Kompressionszyklus gut ausgerichtet bleibt, auf Grund seiner kompakten Umlegewirkung, wenn sich der innere 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. 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 Zyklus nur ein geringes Maß an Steifigkeit und zwischen dem zweiten und dem dritten Zyklus ein noch geringeres Maß an Steifigkeit einbüßt. Deshalb ist für den Druckfederkörper 221 im wesentlichen keine Einlaufzeit erforderlich.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird veranschaulicht durch die Druckfedervorform 301 und den Federkörper 321, die in den 16 bis 19 zu sehen sind. Die Vorform 301 ist aus einem Elastomer Hytrel^® mit der Durometerhärte 55 hergestellt 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 innere Stufenfläche 310 verbindet die inneren Längenabschnitte 308 und 309. Beide inneren Längenabschnitte 308 und 309 weisen zylindrische Formen auf. In dem Bodenabschnitt 306 besitzt die innere Wandfläche 303 einen dritten inneren Längenabschnitt 311 mit einem Durchmesser PC⁴. Eine zweite innere Stufenfläche 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 radial außerhalb von dem ersten inneren Längenabschnitt 308 erstreckt und sich ein Abschnitt mit kleinerem Durchmesser radial außerhalb von dem zweiten inneren Längenabschnitt 309 erstreckt. Die Vorform 301 ist nach den in 17 angegebenen Beschriftungen mit den folgenden Maßen gestaltet:
PA⁴ = 1,588 cm (0,625 Zoll)
PB⁴ = 1,110 cm (0,437 Zoll)
PC⁴ = 0,699 cm (0,275 Zoll)
PD⁴ = 2,535 cm (0,998 Zoll)
PE⁴ = 2,535 cm (0,998 Zoll)
PF⁴ = 1,255 cm (0,494 Zoll)
PG⁴ = 2,057 cm (0,810 Zoll)
PH³ = 1, 62 6 cm (0,640 Zoll)
PJ⁴ = 2,565 cm (1,010 Zoll)
PL⁴ = 3,035 cm (1,195 Zoll)
Um den fertigen Druckfederkörper 321 aus den 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 3,035 cm (1,195 Zoll) auf 1,631 cm (0,642 Zoll), was eine axiale Verkürzung von 46,3 Prozent darstellt. Dann wird die durch die Presse aufgebrachte Kraft weggenommen, wodurch die Vorform 301 um das Stück der Länge zurückspringen kann, um die sie zusammengedrückt wurde, so dass der fertige Druckfederkörper 321 entsteht. Der durch diesen Prozess ausgebildete Druckfederkörper 321 weist eine Länge L⁴ von 2,756 cm (1,085 Zoll) auf. Seine äußere Wandfläche weist Längenabschnitte 324a und 324b auf, die im wesentlichen zylindrisch sind, und eine gerundete äußere Stufenfläche 324c. Der Längenabschnitt 324a dehnt sich etwas aus, wenn er aus der Befestigungsvorrichtung gelöst ist. Er wölbt sich nahe an der äußeren Stufenfläche 324c auch etwas nach außen, so dass sich der Durchmesser D⁴ von 2,591 cm (1,020 Zoll) an dem Endabschnitt 325 auf 2,642 cm (1,040 Zoll) nahe an der Stufenfläche 324c vergrößert. Ebenso wölbt sich der Längenabschnitt 324b nahe an dem Flansch 327 etwas nach außen, so dass der Durchmesser H⁴ von 1,580 cm (0,622 Zoll) nahe an der gestuften Fläche 324c auf 1,626 cm (0,640 Zoll) nahe an der Verbindungsstelle mit dem Flansch 327 vergrößert. Der innere Längenabschnitt 328 verjüngt sich oben etwas nach innen. Der innere Längenabschnitt 329 ist nahe an der inneren Stufenfläche 332 zylindrisch und läuft zu einer gerundeten inneren Stufenfläche 330 zusammen. Die innere Stufenfläche 330 weist eine kleine Rinne 333 auf, an der sie sich an den inneren Längenabschnitt 328 anschließt. Der Druckfederkörper 321 besitzt die folgenden Maße:
A⁴ = 1,666 cm (0,656 Zoll)
B⁴ = 1,080 cm (0,425 Zoll)
C⁴ = 0,699 cm (0,275 Zoll)
D⁴ = 2,591 cm (1,020 Zoll) bis 2,642 cm (1,040 Zoll)
E⁴ = 2,535 cm (0,998 Zoll)
H⁴ = 1,580 cm (0,622 Zoll) bis 1,626 cm (0,640 Zoll)
L⁴ = 2,794 cm (1,100 Zoll)
4 zeigt die Form des Druckfederkörpers 21 in zusammengedrücktem Zustand in der 30 t-Presse, die eine Kraft von annähernd 61,4 kg (135 Pounds) ausübt. Das Diagramm in 20 zeigt die Kräfteverschiebungsmerkmale 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 20 zeigt, fällt der Körper 321, wenn er unter einer Kraft von etwa 45,5 kg (100 Pounds) um etwa 0,318 cm (0,125 Zoll) zusammengedrückt ist, um weitere 0,508 cm (0,20 Zoll) zusammen, solange die verbleibende Kraft größer ist als 27,3 kg (60 Pounds). Dann ist eine Kraft von etwa 61,4 kg (135 Pounds) erforderlich, um den Körper 321 auf eine Länge CL⁴ von 1,524 cm (0,60 Zoll) zu verkürzen, wie in 19 zu sehen ist. Wenn die Kompressionskraft weggenommen wird, kann der Druckfederkörper 321 in seinem zusammengedrückten Zustand in 19 mindestens mehrere Minuten lang verbleiben. Nach diesem Zeitraum oder vielleicht unmittelbar nach Wegnahme der Kompressionskraft kehrt der Körper 321 in seine ursprüngliche Form von 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 Sektionen eines Teleskops über seinen unteren Abschnitt biegt. Eben weist der Federkörper 321 eine sehr gute Wiederholbarkeit seiner Kräfteverschlebungsmerkmale auf und vermindert auf diese Weise unbeständige aufhaltende Kräfte in aufeinanderfolgenden Kompressionszyklen. Für den Federkörper 321 ist im wesentlichen keine Einlaufzeit erforderlich.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung 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 angewandt, können diese Druckfederkörper so gestaltet werden, dass sie große Energiemengen absorbieren und dabei wenig oder keine Rücksprungkraft entwickeln. Ebenso können die Körper so gestaltet werden, dass sie sich weniger wahrscheinlich verschieben, wenn sie zusammengedrückt werden, und auch so, dass sie die gleiche Kräfteverschiebungskurve in aufeinanderfolgenden Kompressionszyklen wiederholen.
Es wurden zwar mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben, jedoch werden natürlich auch andere Ausführungsformen, Modifikationen und Zusätze für die Fachleute offensichtlich, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Energieabsorbierender Druckfederkörper (121), der aus einem elastomeren Material hergestellt wird, wobei der Körper (121) eine rohrförmige Form mit einer inneren Wandfläche (123) und einer äußeren Wandfläche und Endabschnitten (125, 126) aufweist, zwischen denen der Körper (121) entlang einer Längsachse (Y²) zusammengedrückt werden kann, wobei vorgesehen ist, dass: (a) die innere Wandfläche (123) einen ersten inneren Längenabschnitt (128) mit einem großen Durchmesser (A²), einen zweiten inneren Längenabschnitt (129) mit einem Durchmesser (B²), der kleiner ist als der Durchmesser (A²) des ersten inneren Längenabschnitts (128), und eine innere Stufenfläche (130) aufweist, die diese inneren Längenabschnitte (128; 129) verbindet; und (b) die äußere Wandfläche einen ersten äußeren Längenabschnitt (124a), der radial auswärts von dem ersten inneren Längenabschnitt (128) verläuft, und eine äußere Stufenfläche (124b) aufweist, die sich von dem ersten äußeren Längenabschnitt (124a) nach innen erstreckt und entlang der Längsachse (Y²) zwischen der inneren Stufenfläche (130) und dem Endabschnitt (126) liegt, der sich am nächsten zu dem zweiten inneren Längenabschnitt (129) befindet; (c) der zweite innere Längenabschnitt (129) und der erste äußere Längenabschnitt (124a) im wesentlichen zylindrisch sind; und (d) ein im wesentlichen zylindrischer zweiter äußerer Längenabschnitt (124c) der äußeren Wandfläche einen Durchmesser (H²) aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser (D²) des ersten äußeren Längenabschnitts (124a) wobei der zweite äußere Längenabschnitt (124c) von der äußeren Stufenfläche (124b) ausgeht und radial auswärts von dem zweiten inneren Längenabschnitt (129) verläuft; wodurch dann, wenn der Druckfederkörper (121) entlang seiner Längsachse (Y²) zusammengedrückt wird, sich der erste innere Längenabschnitt (128) und die innere Stufenfläche (130) in Richtung zueinander biegen; dadurch gekennzeichnet, dass (e) das elastomere Material ein thermoplastisches elastomeres Material ist; (f) der erste innere Längenabschnitt (128) im wesentlichen konisch ist und seinen größten Durchmesser an seinem Ende aufweist, das am nächsten zu der inneren Stufenfläche (130) liegt; und (g) die innere Stufenfläche (130) einen eingelassenen Abschnitt (130a) im Bereich des ersten inneren Längenabschnitts (124a) aufweist.
Energieabsorbierender Druckfederkörper (121) nach Anspruch 1, wobei vorgesehen ist, dass: (h) der Endabschnitt (126) des Körpers (121), der am nächsten zu dem zweiten äußeren (124c) und dem zweiten inneren Längenabschnitt (129) ist, ein Basisabschnitt ist, der einen dritten äußeren Längenabschnitt der äußeren Wandfläche aufweist, der von einem Durchmesser (E²) ist, der größer ist als der Durchmesser (H²) des zweiten äußeren Längenabschnitts (124c), und auch einen dritten inneren Längenabschnitt (131) der inneren Wandfläche mit einem Durchmesser (C²), der kleiner ist als der Durchmesser (B²) des zweiten inneren Längenabschnitts (129); und (i) eine zweite innere Stufenfläche (132) den zweiten inneren Längenabschnitt (129) mit der dritten inneren Wandfläche (131) verbindet, wobei die zweite innere Stufenfläche (132) in ein Befestigungselement eingreifen kann, um dem Druckfederkörper (121) mit einem anderen Maschinenelement zu verbinden.
Vorform (101) für einen energieabsorbierenden Druckfederkörper (121) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Vorform (101) eine rohrförmige Form mit inneren und äußeren Wandflächen (103; 104) und Endbereichen (105; 106) aufweist, zwischen denen der Körper (121) entlang einer Längsachse (X²) zusammengedrückt werden kann, wobei vorgesehen ist, dass: (a) die innere Wandfläche (103) einen ersten inneren Längenabschnitt (108) mit einem großen Durchmesser (PA²), einen zweiten inneren Längenabschnitt (109) mit einem Durchmesser (PB²), der kleiner ist als der Durchmesser (PA²) des ersten inneren Längenabschnitts (108), und eine innere Stufenfläche (110) aufweist, die diese inneren Längenabschnitte (108; 109) verbindet; und (b) die äußere Wandfläche (104) eine im wesentlichen konische Form aufweist, wobei ein Abschnitt (113) mit einem größeren Durchmesser (PD²) radial auswärts von dem ersten inneren Längenabschnitt (108) verläuft und ein Abschnitt (114) mit einem kleineren Durchmesser (PH^1–4) radial auswärts von dem zweiten inneren Längenabschnitt (109) verläuft.
Vorform (101) nach Anspruch 3, wobei vorgesehen ist, dass: (c) der Endabschnitt (106) der Vorform (101), der am nächsten zu dem zweiten äußeren (114) und dem zweiten inneren Längenabschnitt (109) liegt, ein Basisabschnitt ist, der einen dritten äußeren Längenabschnitt der äußeren Wandfläche aufweist, der von einem Durchmesser (PE²) ist, der größer ist als der Durchmesser (PH²) des zweiten äußeren Längenabschnitts (114), und auch einen dritten inneren Längenabschnitt (111) der inneren Wand fläche mit einem Durchmesser (PC²), der kleiner ist als der Durchmesser (PB²) des zweiten inneren Längenabschnitts (106); und (d) eine zweite gestufte Innenseite (112), die den zweiten inneren Längenabschnitt (106) mit dem dritten inneren Längenabschnitt (111) verbindet.
Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Druckfederkörpers (121) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, umfassend die folgenden Schritte: (a) Herstellung einer rohrförmigen Vorform (101) nach einem der Ansprüche 3 bis 4 aus einem thermoplastischen elastomeren Material mit einer inneren Wandfläche (103) mit einem ersten inneren Längenabschnitt (108) mit einem großen Durchmesser (PA²), mit einem zweiten inneren Längenabschnitt (109) mit einem Durchmesser (PB²), der kleiner ist als der Durchmesser (PA²) des ersten inneren Längenabschnitts (108), und mit einer inneren Stufenfläche (110), die die inneren Längenabschnitte (108; 109) verbindet, wobei die rohrförmige Vorform (101) auch einen äußeren Längenabschnitt (104) mit einer im wesentlichen konischen Form aufweist, wobei ein Abschnitt (113) der konischen Form mit einem größeren Durchmesser (PD²) radial auswärts von dem ersten inneren Längenabschnitt (108) verläuft und ein zweiter Abschnitt (114) der konischen Form mit einem kleineren Durchmesser (PH²) radial auswärts von dem zweiten inneren Längenabschnitt (109) verläuft; (b) Zusammendrücken der Vorform (101) entlang deren Längsachse (X²) um einen Wert, der gleich mindestens 25 Prozent der ursprünglicher Länge (PL²) der Vorform (101) ist; und (c) Zurückspringenlassen der zusammengedrückten Vorform (101) zu einer fertigen Form, so dass ein Druckfederkörper (121) entsteht.