DE19903761C2

DE19903761C2 - Equal force spring device

Info

Publication number: DE19903761C2
Application number: DE19903761A
Authority: DE
Inventors: Alwin Geisel
Original assignee: BAUMANN FEDERN AG RUETI
Current assignee: BAUMANN FEDERN AG RUETI
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-01-30
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2019-01-31
Also published as: DE19903761A1

Description

Gewöhnliche Federtypen, wie beispielsweise Schraubendruck- oder Schraubenzugfedern, weisen eine lineare Kraft-Weg-Cha rakteristik auf, d. h. die Federkraft ist proportional zum Federweg. Der Proportionalitätsfaktor, der der Steigung der Kraft-Weg-Kennlinie der Feder entspricht, wird als Federrate bezeichnet. Für bestimmte Anwendungsbereiche von Federn, wie in Messvorrichtungen, zur Verschleißkompensation, zum Tole ranzausgleich, bei Regelfunktionen und dergleichen, ist jedoch eine wegunabhängige, konstante Federkraft erwünscht. Die Kenn linie der Feder sollte also über einen möglichst großen Wegbe reich wenigstens annähernd einen horizontalen Verlauf aufwei sen, was einer Federrate = 0 entspricht. Es wurden auch be reits eine Reihe von Federtypen entwickelt, die diese Forde rung weitgehend erfüllen. Solche Federtypen sind beispiels weise Rollfedern oder Triebfedern aus Band. Diese Federn sind jedoch sehr teuer in der Herstellung. Ein anderer Federtyp, die Schrauben-Knickfeder, ist ebenfalls relativ teuer und weist außerdem am Beginn der Einfederung eine Federkraftspitze auf. Eine preiswertere Variante ist die querbelastete Schrau benwendel mit verkippten Windungen, doch ist bei dieser Feder nur ein relativ kleiner horizontaler Kennlinienteil nutzbar. Andere Federtypen, wie Federscheiben oder Tellerfedern, weisen zwar eine relativ flache, jedoch keine horizontale Kraft-Weg- Kennlinie auf. Außerdem ist der Federweg bei diesen Federn sehr kurz.Common types of springs, such as screw pressure or coil springs, have a linear force-displacement cha characteristic on, d. H. the spring force is proportional to Travel. The proportionality factor, the slope of the Force-displacement characteristic curve corresponding to the spring is called the spring rate designated. For certain applications of springs, such as in measuring devices, for wear compensation, for tole ranzausgleich, with control functions and the like, however a constant spring force independent of travel is desired. The Kenn The line of the spring should therefore be as large as possible range is at least approximately horizontal sen, which corresponds to a spring rate = 0. There were also A number of spring types have been developed to meet this requirement largely fulfilled. Such types of springs are for example wise scroll springs or drive springs made of tape. These feathers are however very expensive to manufacture. Another type of spring, the screw buckling spring is also relatively expensive and also has a spring force peak at the start of deflection on. A cheaper variant is the cross-loaded screw benwendel with tilted turns, but is with this spring only a relatively small horizontal characteristic part can be used. Other types of springs, such as spring washers or disc springs, have a relatively flat, but no horizontal force-displacement Characteristic on. In addition, the travel of these springs very short.

Aus der DE 32 22 257 A1 ist eine Feder aus einem Stab- oder Flachprofil bekannt, zwischen deren eingespannten Enden ein gewellter oder gebogener Bereich liegt. Die eingespannten Enden sind dabei jedoch nicht drehbar gelagert.From DE 32 22 257 A1 is a spring made of a rod or Flat profile known, between the clamped ends wavy or curved area. The clamped However, ends are not rotatably supported.

Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die lineare Federcharakteristik einer herkömmlichen Feder über Hebel- oder Kurvensysteme so zu transformieren, dass eine konstante Kraft entsteht. Diese Lösungen sind jedoch sehr aufwendig und benö tigen einen großen Einbauraum.Of course there is also the option of using the linear Spring characteristic of a conventional spring via lever or Transform curve systems so that a constant force arises. However, these solutions are very complex and necessary large installation space.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Federvorrichtung vorzuschlagen, die eine konstante Federkraft über einen großen Bereich des Federwegs aufweist und preiswert in der Herstellung ist.The present invention has for its object a Propose spring device that has a constant spring force has a large range of travel and is inexpensive is in the making.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gleichkraftfedervorrichtung mit einem langgestreckten, in entspanntem Zustand des Feder elements im Wesentlichen in Federkraftrichtung ausgerichteten Brückenteil, an den sich beidseitig gegenüber dem Brückenteil abgewinkelte Stege anschließen, die in gegenüber der Steglängsrichtung abgewinkelte Lagerzapfen übergehen, wobei die Lagerzapfen in Bohrungen einer Aufnahmevorrichtung radial und axial abgestützt und drehbar gelagert sind (Anspruch 1). The object is achieved by a constant-force spring device with an elongated, in relaxed state of the spring elements aligned essentially in the direction of the spring force Bridge part, on both sides opposite the bridge part Connect angled webs that are in opposite of the Pass over the longitudinal angled bearing journal, whereby the journals in the bores of a receiving device radially and axially supported and rotatably mounted (claim 1).

Dieses beispielsweise aus einem einzigen Flach- oder Rund drahtstück, vorzugsweise konstanten Durchmessers oder aber aus mehreren Elementen fertigbare Federelement ist in der Herstel lung sehr preiswert. Die drehbare Lagerung der Lagerzapfen in der Aufnahmevorrichtung ermöglicht es, dass sich das Element bei einem Stauchen des Federelements in Längsrichtung nach überwinden einer anfänglichen hohen Steifigkeit passiv drehen kann. Diese Drehbewegung ermöglicht das Entstehen einer konstanten Federkraft unabhängig vom Federweg. Während der Drehung des Federelements treten in den Stegen überwiegend Torsionsspannungen und im Brückenteil eine Biegespannung auf. Vorzugsweise kann die Feder bezüglich einer zentralen Quer schnittsebene des Brückenteils spiegelsymmetrisch aufgebaut sein. Die Lagerzapfen können gegenüber dem Brückenteil und gegenüber den Stegen geneigt sein. Dabei sind die Stege und der Brückenteil vorzugsweise in einer Ebene angeordnet. Auch die Lagerzapfen können in dieser Ebene angeordnet sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung können jedoch die Ebenen der Lagerzapfen gegenüber der Ebene des Brückenteils und der Stege um einen kleinen Winkel geneigt sein. Dadurch kann die Dreh richtung des Federelements vorgegeben werden. Außerdem lässt sich durch diese Maßnahme eine eventuelle Federkraft-Spitze zwischen dem anfänglichen, steil ansteigenden Kennlinienteil und dem flachen Kennlinienteil der Kraft-Federweg-Charakteri stik verhindern. Außerdem kann die Form des Übergangsbereichs des steilen und flachen Kennlinienteils dadurch beeinflusst werden. Der Brückenteil ist vorzugsweise gerade ausgeführt, kann jedoch auch leicht gewölbt oder geknickt sein.This, for example, from a single flat or round piece of wire, preferably constant diameter or else The spring element, which can be manufactured in several elements, is manufactured lung very inexpensive. The pivot bearing of the trunnion in the cradle allows the element when the spring element is compressed in the longitudinal direction passively overcome an initial high rigidity can. This rotary movement enables the emergence of one constant spring force regardless of travel. During the Rotation of the spring element occurs predominantly in the webs Torsional stresses and a bending stress in the bridge part. Preferably, the spring can with respect to a central cross section plane of the bridge part constructed mirror-symmetrically his. The trunnions can be compared to the bridge part and be inclined towards the bridges. Here are the webs and the bridge part is preferably arranged in one plane. Also the trunnions can be arranged in this plane. at a preferred embodiment, however, the levels of Bearing pins opposite the level of the bridge part and the webs be inclined at a small angle. This allows the rotation direction of the spring element can be specified. Also leaves a possible spring force peak between the initial, steeply rising characteristic part and the flat characteristic part of the force-travel characteristic prevent stik. In addition, the shape of the transition area of the steep and flat part of the characteristic become. The bridge part is preferably straight, however, it can also be slightly curved or kinked.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Gleichkraftfe dervorrichtung in Form eines langgestreckten, in entspanntem Zustand im Wesentlichen in Federkraftrichtung ausgerichteten Federelements gelöst, dessen Enden in Lagerelementen verankert sind, die gegenüber der Längsrichtung des Federelements abgewinkelt sind und seitlich abstehende Lagerzapfen aufweisen, die in Bohrungen einer Aufnahmevorrichtung radial und axial abgestützt und drehbar gelagert sind (Anspruch 10).The object of the invention is also achieved by a direct force the device in the form of an elongated, in relaxed Condition essentially aligned in the direction of the spring force Detached spring element, the ends of which are anchored in bearing elements are angled relative to the longitudinal direction of the spring element are and have laterally protruding trunnions, the radial and axial in bores of a receiving device are supported and rotatably mounted (claim 10).

Bei dieser Lösung sind also die Stege und Lagerzapfen der ersten Lösung ersetzt durch Lagerelemente mit seitlich abste henden Lagerzapfen. Das eigentliche Federelement wird dadurch wesentlich kostengünstiger und ist mit kleineren Formtoleran zen behaftet als die erste Lösung. Dieses Federelement weist durch die fehlenden Biegungen auch eine besonders hohe Lebens dauer auf. Das prinzipielle Verhalten dieses Federelements mit den Lagerelementen ist identisch zu demjenigen der Gleich kraftfedervorrichtung nach Anspruch 1.In this solution, the webs and journals are the first solution replaced by bearing elements with sideways abste existing bearing journal. The actual spring element is thereby much cheaper and with smaller shape tolerance zen as the first solution. This spring element has due to the lack of bends also a particularly high life persist. The basic behavior of this spring element with the bearing elements are identical to those of the same Power spring device according to claim 1.

Insgesamt bieten die erfindungsgemäßen Federn den Vorteil, dass sie überwiegend eine Federrate von Null und damit eine Kraft-Federweg-Charakteristik aufweisen, die über einen rela tiv großen Federwegbereich einen horizontalen Verlauf auf weist. Außerdem ist die Feder sehr günstig in der Herstellung. Die Feder kann auch als Hebelübersetzung zur Federkrafterhö hung oder Federkraftverminderung verwendet werden. Hierzu wird der Brückenteil bzw. das langgestreckte Federelement aktiv gedreht, wodurch die an den Enden wirkende Kraft erhöht oder vermindert wird. Diese Eigenschaft kann z. B. dazu verwendet werden, den Einbau zu erleichtern oder die lineare Bewegung der Feder aus der Feder selbst zu erzeugen.Overall, the springs according to the invention offer the advantage that they predominantly have a spring rate of zero and therefore one Force-travel characteristic, which have a rela tiv large travel range on a horizontal course has. In addition, the spring is very cheap to manufacture. The spring can also be used as a lever ratio for spring force hung or spring force reduction can be used. To do this the bridge part or the elongated spring element is active rotated, which increases the force acting on the ends or is reduced. This property can e.g. B. used for this be easier to install or linear motion the spring from the spring itself.

Zur Erhöhung der Federkraft können mehrere wirkungsgemäße Federn parallel geschaltet werden. Durch Hintereinanderschal tung mehrerer Federn lässt sich der Federweg vergrößern.To increase the spring force, several effective Springs can be connected in parallel. Through a scarf The travel can be increased by using several springs.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele erfindungs gemäßer Federelemente und ihre Eigenschaften anhand der Zeichnung näher erläutert. In the following, preferred embodiments are fiction according spring elements and their properties based on Drawing explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Seitenansicht auf eine Feder; Figure 1 is a side view of a spring.

Fig. 2 eine Stirnansicht auf die Feder aus Fig. 1; FIG. 2 shows an end view of the spring from FIG. 1;

Fig. 3a)-c) eine Ansicht der Feder aus Fig. 1 in unterschiedlichen Spannungszuständen; Fig. 3a) -c) is a view of the spring of Figure 1 in different states of stress.

Fig. 4a), b) Detailansichten zweier Aufnahmevorrichtun gen für die Lagerzapfen der Feder aus Fig. 1; Fig 4a), b) are detail views of two Aufnahmevorrichtun gene for the bearing pins of the spring of Fig. 1.

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Feder kraftkennlinie der Feder aus Fig. 1; Fig. 5 is a schematic representation of the spring force characteristic of the spring of Fig. 1;

Fig. 6 eine Seitenansicht auf ein zweites Ausfüh rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fe der. Fig. 6 is a side view of a second exemplary embodiment of a Fe according to the invention.

Fig. 1 zeigt eine Feder 10, die aus einem Drahtstück gebogen ist, jedoch auch aus einzelnen Elementen zusammengesetzt sein könnte. Sie weist einen zentralen Brückenteil 11 auf, an des sen Enden sich abgewinkelte Stege 12 anschließen. Die Stege 12 wiederum gehen in abgewinkelte Lagerzapfen 13 über. Das Brückenteil 11 weist die Länge L1, die Stege 12 weisen die Länge L2 und die Lagerzapfen 13 die Länge L3 auf. Die Werte für die Längen L1, L2 und L3 sind in einem großen Bereich variierbar. Von ihrer Wahl sowie von der Wahl des Winkels α zwischen den Lagerzapfen 13 und dem Brückenteil 11 sowie des Winkels β zwischen der Senkrechten auf dem Brückenteil 11 und den Stegen 12 hängt die Form der in Fig. 5 gezeigten Feder kennlinie in den Bereichen I und II ab. Auch die Winkel α und b sind in einem großen Bereich variierbar, ohne dass die Ei genschaft des Federelements 10, über einen großen Bereich des Federwegs s eine konstante Federkraft F aufzuweisen, beein trächtigt wird. Der Bereich konstanter Federkraft ist im Dia gramm in Fig. 5 mit III bezeichnet. Der absolute Wert der Federkraft F in diesem Bereich III hängt im Wesentlichen von der Drahtstärke d ab. Fig. 1 shows a spring 10 which is bent from a piece of wire, but could also be composed of individual elements. It has a central bridge part 11 , at the sen ends angled webs 12 connect. The webs 12 in turn merge into angled journals 13 . The bridge part 11 has the length L1, the webs 12 have the length L2 and the journal 13 has the length L3. The values for the lengths L1, L2 and L3 can be varied over a wide range. The shape of the spring characteristic shown in FIG. 5 in the areas I and II depends on their choice and on the choice of the angle α between the journal 13 and the bridge part 11 and the angle β between the vertical on the bridge part 11 and the webs 12 from. The angles α and b can be varied over a wide range without the egg property of the spring element 10 having a constant spring force F over a large range of the spring travel s is impaired. The range of constant spring force is indicated in the diagram in Fig. 5 with III. The absolute value of the spring force F in this area III essentially depends on the wire thickness d.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Lagerzapfen 13 in einer Ebene an geordnet, die um einen kleinen Winkel γ gegenüber der Ebene des Brückenteils 11 und der Stege 12 geneigt ist. Dieser Win kel γ bewirkt eine Vorzugsdrehrichtung des Federelements 10, sobald auf es eine Kraft ausgeübt wird, wie Fig. 3 illu striert. In Fig. 3a) ist die Feder 10 im entspannten Zustand gezeigt. Die Lagerzapfen 13 sind jeweils in Aufnahmevorrich tungen 14 axial und radial abgestützt, aber drehbar gelagert. Wird auf das Federelement 10 eine lineare Kraft in Pfeilrich tung 15 ausgeübt, so beginnt sich die Feder 10 passiv in Pfeilrichtung 16 zu drehen, wie in Fig. 3b) gezeigt ist. Gleichzeitig kommt es zu einer Durchbiegung des Brücken teils 11. Wird der Federweg vergrößert, so dreht sich die Feder 10 weiter, bis die in Fig. 3c) gezeigte Endstellung er reicht ist, in der sich die Feder 10 um insgesamt 180° gedreht hat. Bevor sich die Feder 10 zu drehen beginnt, verhält sie sich sehr steif. In diesem Bereich I verläuft die Kennlinie des Federelements steil nach oben, wie Fig. 5 zeigt. Bei wei terer Erhöhung der Federkraft F durchläuft die Kennlinie einen Übergangsbereich II, und die Federkraft bleibt dann konstant, sobald die Drehung der Feder 10 einsetzt. Der konstante Wert bleibt dabei solange erhalten, bis sich die Feder insgesamt um 180° gedreht hat. Der Arbeitsbereich der Feder umfasst den Stellungs- und Drehbereich zwischen Fig. 3a) und Fig. 3c). As Fig. 2 shows, the bearing pin 13 in a plane at sorted, which is at a small angle γ relative to the plane of the bridge portion 11 and the webs 12 are inclined. This Win angle γ causes a preferred direction of rotation of the spring element 10 as soon as a force is exerted on it, as illustrated in FIG. 3. In Fig. 3a) the spring 10 is shown in the relaxed state. The journals 13 are each axially and radially supported in receptacle lines 14 , but rotatably supported. If a linear force is exerted on the spring element 10 in the direction of the arrow 15 , the spring 10 starts to passively rotate in the direction of the arrow 16 , as shown in FIG. 3b). At the same time there is a deflection of the bridge part 11 . If the spring travel is increased, the spring 10 continues to rotate until it reaches the end position shown in FIG. 3c), in which the spring 10 has rotated by a total of 180 °. Before the spring 10 begins to rotate, it behaves very stiffly. In this area I, the characteristic curve of the spring element rises steeply, as shown in FIG. 5. With further increase in the spring force F, the characteristic curve passes through a transition region II, and the spring force then remains constant as soon as the rotation of the spring 10 begins. The constant value remains until the spring has rotated a total of 180 °. The working range of the spring includes the position and rotation range between Fig. 3a) and Fig. 3c).

Für die Ausgestaltung der Aufnahmevorrichtung für die Lager zapfen 13 sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. Die in Fig. 4a) gezeigte Aufnahmevorrichtung 14 entspricht der in Fig. 3 gezeigten und umschließt den Lagerzapfen 13 in radialer Richtung allseitig und stützt ihn zusätzlich axial ab. In Fig. 4b) ist eine Aufnahmevorrichtung 14' gezeigt, die zwei Lagerebenen 17 und 18 aufweist, die die radiale Führung des Lagerzapfens 13 übernehmen. Die Lagerebene 17 übernimmt zu sätzlich die axiale Abstützung.For the design of the receiving device for the bearing pin 13 different options are conceivable. The receiving device 14 shown in FIG. 4a) corresponds to the one shown in FIG. 3 and encloses the bearing journal 13 on all sides in the radial direction and additionally supports it axially. In Fig. 4b), a recording device is shown 14 ', the two bearing planes having 17 and 18, which take over the radial guidance of the bearing pin 13. The bearing level 17 also takes over the axial support.

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Gleichkraftfedervorrichtung mit einem geraden, in Federkraftrichtung ausgerichteten Federelement 20 aus Rund- oder Flachdraht. Die Enden des Federelements 20 sind in Lager elementen 21 und 22 verankert, wobei die Längsrichtung der Lagerelemente 21 und 22 gegenüber der Senkrechten auf das Federelement 20 um den Winkel β' geneigt sind. An den beiden Lagerelementen 21 und 22 sind seitlich Lagerzapfen 23 und 24 angeordnet, die in Bohrungen einer Aufnahmevorrichtung 25 axial und radial abgestützt und drehbar gelagert sind. Die Lagerzapfen 23 und 24 sind in einem Winkel α' geneigt zur Längsachse des Federelements 20 ausgerichtet. Im dargestellten Beispiel entspricht der Winkel α' dem Winkel β'. Mit d' ist die Dicke des Federelements 20 bezeichnet und mit L1' der Abstand der Einspannstellen der Enden des Federelements 20. Mit L2' ist der Abstand zwischen Lagerzapfen 23. 24 und der Einspannstelle der Enden des Federelements 20 in den Lager elementen 21, 22 bezeichnet. Die in Fig. 6 dargestellte Gleichkraftfedervorrichtung weist ein ganz ähnliches Verhalten auf wie das in Fig. 5 gezeigte Verhalten der Gleichkraftfeder vorrichtung aus den Fig. 1 bis 4. Fig. 6 shows a second embodiment of a DC spring device according to the Invention with a straight, in the spring force direction aligned spring element 20 made of round or flat wire. The ends of the spring element 20 are anchored in bearing elements 21 and 22 , the longitudinal direction of the bearing elements 21 and 22 being inclined by the angle β 'with respect to the perpendicular to the spring element 20 . On the two bearing elements 21 and 22 laterally bearing pins 23 and 24 are arranged, which are axially and radially supported and rotatably supported in bores of a receiving device 25 . The bearing pins 23 and 24 are inclined at an angle α 'to the longitudinal axis of the spring element 20 . In the example shown, the angle α 'corresponds to the angle β'. D 'denotes the thickness of the spring element 20 and L1' the distance between the clamping points of the ends of the spring element 20 . L2 'is the distance between journal 23 . 24 and the clamping point of the ends of the spring element 20 in the bearing elements 21 , 22 designated. The DC spring device shown in FIG. 6 has a behavior very similar to the behavior of the DC spring device shown in FIG. 5 from FIGS . 1 to 4.

Claims

1. DC spring device ( 10 ) with a langstrereck th, in the relaxed state of the spring element ( 10 ) substantially aligned in the spring force direction bridge part ( 11 ), to which on both sides opposite the bridge part ( 11 ) angled webs ( 12 ) connect, in Bearing journals ( 13 ) angled with respect to the longitudinal direction of the web pass over, the bearing journals ( 13 ) being supported radially and axially and rotatably in bores of a receiving device ( 14 ).

2. Spring device according to claim 1, characterized in that it is constructed mirror-symmetrically with respect to a central cross-sectional plane of the bridge part ( 11 ).

3. Spring device according to claim 1 or 2, characterized in that the bearing pins ( 13 ) are also inclined relative to the bridge part ( 11 ).

4. Spring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the webs ( 12 ) and the bridge part ( 11 ) are arranged in one plane.

5. Spring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bridge part ( 11 ), the webs ( 12 ) and the bearing pin ( 13 ) are arranged essentially in one plane.

6. Spring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the planes of the bearing journals ( 13 ) are inclined to the plane of the bridge part ( 11 ) and the webs ( 12 ) by a small angle (γ).

7. Spring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the bridge part ( 11 ) in the relaxed state of the spring element ( 10 ) is straight, slightly curved or kinked.

8. Spring device according to one of claims 1 to 7, characterized characterized that they consist of a flat or round wire constant diameter (d) is bent.

9. Spring device according to one of claims 1 to 7, characterized characterized that they are composed of several elements is set.

10. DC spring device in the form of an elongated, in the relaxed state essentially aligned in Federerkraftrich direction spring element ( 20 ), the ends of which are anchored in bearing elements ( 21 , 22 ) which are angled with respect to the longitudinal direction of the spring element and laterally projecting bearing pins ( 23 , 24 ) which are radially and axially supported and rotatably supported in bores of a receiving device ( 25 ).