DE2143001A1

DE2143001A1 - Bistabile axialfuehrung fuer stoessel und dergl

Info

Publication number: DE2143001A1
Application number: DE19712143001
Authority: DE
Inventors: Subramaniam Dr Ing Padmanabhan; Manfred Schmidt
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1971-08-27
Filing date: 1971-08-27
Publication date: 1973-03-01
Also published as: FR2150755A1; JPS4831471A; DE2143001B2; GB1393608A; JPS5329823B2; DE2143001C3; FR2150755B1; IT963414B

Description

2U3001

Böblingen, den 24. August 1971 wi-ba-fr

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket GE 971 015

Bistabile Axialführung für Stößel und dergl,

Die Erfindung betrifft eine bistabile Axialführung für zylindrische Bauteile, wie Stößel, Stifte, Achsen und dergl. Derartige Führungen werden in zahlreichen technischen Bereichen benötigt, vorzugsweise bei mechanischen und elektromechanischen Schaltvorrichtungen, aber auch bei hydraulischen und pneumatischen Schalt- und Steuerelementen, in denen Steuerschieber oder Kolben zwischen zwei definierten Endlagen verstellt werden.

Die gebräuchlichsten Anordnungen dieser Art bestehen aus einer herkömmlichen Gleitführung für den Stößel bzw. das umzuschaltende Element und einer gesonderten Rast- oder Schnappvorrichtung mit einem oder mehreren Federelementen, welche derart wirksam sind, daß der Stößel aus der einen Endlage über einen mittleren Scheitel- oder Totpunkt hinweg verstellt wird und sodann infolge der gespeicherten Federenergie in die andere Endlage gelangt. Die bekannten Anordnungen mit Sprungschaltwirkung erfordern jedoch einen nicht unbeträchtlichen Aufwand, und zwar teils bei der Herstellung, teils bei der Montage, aber auch hinsichtlich der Justageerfordernisse.

309809/0172

— Q _

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine Axialführung mit Sprungschaltwirkung zu schaffen, die bei außerordentlicher Einfachheit im Aufbau und in der Wirkungsweise eine sehr hohe Lebensdauer aufweist, ohne daß nachträgliche Justagen nötig sind. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Stößel in den Innenringen zweier benachbart und gegensinnig angeordneter Kronfedern verdrehfest eingespannt ist, die ihrerseits mit ihren Außenringen in einem Gehäuse oder dergl. stationär und verdrehfest unter Vorspannung eingespannt sind.

Die Verwendung von Kronfedern als Maschinenelement ist bekannt. M Ihre besonderen Eigenschaften sind, daß sie eine hohe Querstabilität ohne Querversetzung aufweisen, während eine begrenzte Axialverschiebung des eingespannten Teiles möglich ist. Bei einer solchen Axialverschiebung dreht sich der Innenring der Kronfeder gegenüber dem Gehäuse in eine Richtung, die von der Richtung der Spiralschlitze abhängt. Während eine einzige Kronfeder als Lagerungselement außerdem eine Taumelbewegung des geführten Teiles ermöglicht, verwendet man zur reinen Axialbewegung ohne Taumelbeweglichkeit zwei Kronfedern, deren Innenringe in einem bestimmten Abstand auf dem zu führenden Stößel aufgespannt sind und deren Schlitze gleichsinnig verlaufen. Bei dieser Anordnung tritt mit der durch eine äußere Kraft bewirkten Axialverstellung eine relative Verdrehung zwischen Gehäuse und Stößel auf, wobei die Kraft-/Auslenkungs-Kennlinie sich aus der Summe der Federkennwerte der beiden Federn ergibt.

Bei der erfindungsgemäßen Axialführung ist hingegen infolge der gegensinnigen Anordnung der Spiralschlitze der beiden Kronfedern eine Verdrehung des durch die Kronfedern geführten Stößsls relativ zum Gehäuse verhindert, und in den Segmenten der Federn wird eine Vorspannung erzeugt, welche die Sprungschaltwirkeng verursacht. Da hierbei die Verdrehung verhindert ist,- die Länge der neutralen Faser der Federsegmente aber konstant bleiben muß, entsteht im Bereich der Mittellage eine den Scheitelpunkt bildende instabile Verformung. Trotz dem wesentlich vereinfachten Aufbau

Docket GE 971 015 3 0 9 8 0 9/0172

entspricht daher die Kennlinie der erfindungsgemäßen Axialführung derjenigen der herkömmlichen Sprungschaltanordnungen. Die hohe Querstabilität erfüllt jedoch darüber hinaus sehr hohe Anforderungen, wie sie beispielsweise bei der Einhaltung des Luftspaltes zwischen dem Anker und dem Polschuh eines Elektromagneten gestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische schaubildliche Darstellung ei

nes mittels zweier Kronfedern axial geführten Stößels,

Fig. 2 u. 3 schematische Darstellungen der Montageschritte

bei der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der instabilen Mit

tellage der Kronfedern bei einer Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung eines Kron

federsegments in den Endlagen und in verschiedenen Zwischenstellungen,

Fig. 6 die Federkennlinie der Kronfedern und

Fig. 7 in schaubildlicher, teilweise geschnittener Dar

stellung eine Anwendung der Anordnung gemäß Fig. 1 als Ankerführung eines Elektromagneten.

Gemäß Fig. 1 ist ein als zylindrischer Stab dargestellter Stößel 1 in die Innenringe 2a, 3a einer ersten Kronfeder 1 und einer zweiten Kronfeder 3 eingespannt, welche in koaxialer Anordnung und in einem gewissen Abstand voneinander mit ihren Außenkanten 2b, 3b in ein Gehäuse 4 eingespannt sind, und zwar so, daß ihre

Docket GE 971 Gib 3 0 9 8 0 9/0172

-A-

Spiralschlitze 2c, 3c in entgegengesetzter Richtung verlaufen. Dementsprechend sind die Spiralschlitze 2c der in Fig. 1 rechts dargestellten Kronfeder 2 im Uhrzeigersinn nach innen gerichtet, während die Spiralschlitze 3c der links gezeichneten Kronfeder 3 im Uhrzeigersinn nach außen verlaufen.

Die Einspannung der Kronfedern 2, 3 im Gehäuse 4 ist so gestaltet, daß sie sowohl in Drehrichtung als auch in axialer Richtung festgelegt sind. Desgleichen sind die Innenringe 2a, 3a mit dem Stößel 1 so verbunden, daß weder ein Verschieben noch ein Verdrehen zwischen dem Stößel 1 und den Kronfedern 2,3 möglich ist.

Um die gewünschte Sprungschaltwirkung zwischen zwei axialen Endlagen des Stößels 1 zu erhalten, erfolgt die Montage auf die folgende, anhand der Fign. 4 und 5 erläuterte Weise:

Gemäß Fig. 2 werden zunächst die Kronfedern 2,3 auf dem Stößel 1 festgeklemmt, z. B. mittels Muttern, wie an anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 7 noch erläutert werden wird. Die Verbindung zwischen dem Stößel 1 und den Innenringen der Kronfeder 2, 3 ist so beschaffen, daß sowohl ein Verdrehen als auch ein Längsverschieben verhindert ist. Nun wird die linke Kronfeder 3 mit ihrem Außenring mittels eines Spannringes 5 im Gehäuse 4 eingespannt, so daß auch hier eine verdrehfest und gegen Längsverschieben gesicherte Verbindung entsteht. Der Außenring der rechten Kronfeder 2 liegt jedoch zu dieser Zeit noch lose in der Ringführung 6 im Gehäuse 4, so daß er sich relativ zum Gehäuse 4 drehen kann.

Nun wird gemäß Fig. 3 der Stößel in Pfeilrichtung ausgelenkt, wobei sich entsprechend der zuvor beschriebenen Wirkungsweise der Kronfedern der Außenring der rechten Kronfeder 2 in der Führung 6 dreht. Nach einem Schubweg des Stößels 1 um den Betrag f + d wird nun der Außenring der Kronfeder 2 in der Führung 6 mittels eines Spannringes 7 festgeklemmt. Wird sodann die Auslenkkraft entfernt, geht der Stößel um den Betrag d zurück, so daß er sich

Docket GK 971 Uli, 3 0 9 8 0 9/0172

— *> —

nun in einer der stabilen Endlagen befindet, entsprechend einem Auslenkweg f, von der Mittellage gemessen. Die zweite Endlage befindet sich in der zur Pfeilrichtung entgegengesetzten Verstellrichtung des Stößels 1, wobei der Auslenkweg, von der Mittellage gemessen, ebenfalls f beträgt, so daß der Gesamtverstellweg 2f beträgt.

Der in Fig. 1 dargestellte Verdrehwinkel α ist, wie in dem Diagramm in Fig. 2 dargestellt, eine Funktion des Verstellweges f und jeweils abhängig von der Ausführung und den Abmessungen der Kronfedern 2, 3. Wie aus dem Diagramm in Fig. 3 ersichtlich ist, beträgt die in den Endstellungen des Stößels 1 von den Kronfedern 2, 3 abgegebene Stellkraft Null. Um eine bestimmte Endlagenkraft zu erreichen, wird nun der Arbeitspunkt auf der Kennlinie verschoben, wodurch man den Arbeitsbereich h/2 erhält (vergl. Diagramm zu Fig. 4). Dies wird praktisch erreicht durch die in Fig. 4 angedeuteten Anschläge 8 und 9, welche eine bestimmte Vorspannung in den Kronfedern 2, 3 bewirken. Der Gesamthub des Stößels 1 beträgt somit 2 * h/2, entsprechend dem durch die Anschläge 8, 9 begrenzten Verstellweg. Aus den Diagrammen zu den Fign. 3 und 4 ist erkennbar, daß sein muß: h/2 < f.

In Fig. 4 ist die instabile Mittellage des Systems dargestellt, und das Diagramm zeigt, daß die Verstellkraft außerhalb der neutralen Mittellage schnell anwächst, woraus ersichtlich ist, daß der Stößel infolge seiner Bewegungsenergie bei der Verstellung aus der einen in die andere Endlage die neutrale Mittellage schnell durchläuft.

Fig. 5 zeigt die Forniveranderungen eines Federsegments im Verlauf der Verstellung aus der einen Endlage EI in die andere Endlage EII Hierbei wird zunächst eine erste Zwischenlage ZI, dann die instabile flittellage M und dann eine zweite Zwischenlage ZII durchlaufen, bis die entgegengesetzte stabile Endlage EII erreicht ist. Aus der Form des Federsegments in den verschiedenen Lagen kann

971 015 _309809/0172

die jeweils wirksame Federkraft ersehen werden, wobei die größte Verformung in der Mittellage auftritt, in welcher eine hohe Radialkraft entwickelt wird, jedoch die Axialkomponente gleich Null ist. In den Zwischenstellungen ZI bzw. ZII wird die Verformung geringer, wobei die Axialkomponente größer und die Radialkraft kleiner wird, bis in den Endlagen die geringste Verformung auftritt, wobei ausschließlich eine durch die Hubbegrenzung bestimmte axiale Vorspannung wirksam ist.

Die Federkennlinie gemäß Fig. 6 ist im Bereich der Mittellage gestrichelt gezeichnet, um darzustellen, daß hier eine gewisse Streuung auftritt. In den Endlagen ist die Kraft F wirksam, der jeweiligen Hubbegrenzung entsprechend. Die gestrichelten Kurvenzweige jenseits der beiden Endlagen bezeichnen den Kennlinienverlauf der Federn, wenn keine Hubbegrenzung vorgesehen ist.

Die in Fig. 7 dargestellte Ankerführung eines Elektromagneten besteht aus dem beiderseits mit Gewindebolzen 11 koaxial verbundenen Anker 10, der mittels zweier Kronfedern 12 und 13 in einem Gehäuse 14 gelagert ist. Zur Befestigung der Innenringe der Kronfedern 12 und 13 am Anker sind Muttern 16 vorgesehen (von denen in der Zeichnung nur die rechte sichtbar ist), unter deren Wirkung die zugehörige Kronfeder 12 bzw. 13 an je einem Bund 15 des Ankers IO anliege (in Fig. 7 ist nur der linke Bund 15 sichtbar). Die Außenringe der Kronfedern 12 und 13 liegen an den beiderseits der Feldspule 19 befindlichen Polschuhen 17 bzw. 18 an und sind mittels Klemmringen 19, 2O an diesen befestigt. Zu diesem Zweck befinden sich in den Außenringen der Kronfedern 12, 13 je drei bogenförmige Langlöcher 21 und in den Klemmringen 19, 20 je drei Bohrungen 22, durch die Schrauben 23 hindurchgeführt und in entsprechende Gewindebohrungen in den Polschuhen 17, 18 eingeschraubt werden. Die Klemmringe 19 und 2O sind, wie in Fig, 7 anhand des linken KLenunringes 2O erkennbar, hutförmig gestaltet, so daß sie nur mit ihrer Ringfläche am umfang an den Kronfedern 12 bzw. 13 anliegen.

Beiderseits der Klemmringe 19 und 20, jeweils zur Außenseite hin, sind Anschläge 24 und 25 aufgeschraubt, an deren iiinenseitiger

Docket GE 971 O15 309809/0172

2H3001

Stirnfläche Dämpfungsscheiben 26 bzw. 27 befestigt sind. Die Anschlagn 24 und 25 bilden die Hubbegrenzung für die Ankerbewegung und bewirkenf daß der Anker 10 in seinen Endstellungen unter einer bestimmten Kraft an den Anschlägen anliegt, wie zuvor bereits beschrieben wurde.

Die Funktion der gezeigten Anordnung ist die folgende: Zur Montage wird, wie bereits anhand der Fign. 2 und 3 beschrieben, eine der Kronfedern, z. B. die Kronfeder 13, mittels der zugehörigen (nicht sichtbaren) Mutter 16 sowie mittels des Klemmringes 20 und der Schrauben 23 innenringseitig fest mit dem Anker 10 und außenringseitig mit dem Polschuh 18 verbunden. Die andere Kronfeder 12 ist an der Innenseite durch die Mutter 16 am Anker 10 befestigt, jedoch sind die Schrauben 23, welche durch die Bohrungen 22 im Klemmring 19 und die Langlöcher 21 in der Kronfeder 12 hindurch in die Gewindebohrungen im Polschuh 17 eingeschraubt sind, nicht fest angezogen. Nunmehr wird der Anker 10 aus seiner jetzigen Mittellage um einen Betrag verschoben, der etwas größer ist als die Hälfte des gewünschten Verstellweges. Dabei führt die Kronfeder 12, da die Schrauben 23 noch locker sind, zwischen dem Polschuh 17 und dem Klemmring 19 eine bestimmte Drehung aus. Nun werden die Schrauben 23 angezogen und damit mittels des Klemmringes 19 die Kronfeder 12 an ihrem Außenring festgeklemmt. Nach Wegnahme der Verstellkraft schnellt dann der Anker 10 um einen geringen Betrag zurück in die eine der beiden Endlagen.

Zur Betätigung des Ankers 10 wird nun die Feldspule 19 erregt, und unter der Wirkung des magnetischen Feldes gelangt der Anker 10 unter Überwindung der won den Kronfedern 12, 13 ausgeübten Kraft in die entgegengesetzte Endlage, die durch die Stellung des Anschlages 2 5 bestimmt ist. Dabei wirkt die Verstellkraft des magneti-.'3chcn Feidos zunächst entgegen der Federkraft der Kronfedern 12 und 3 3, biß eier Anker 10 ceine Mittellage erreicht hat. Im Be-Jf-ich der Iiittellage, wenn keine Federkiäfte auf dem Anker wirk- luwi rAnd, verursacht die Bewegungaeiififiie der Ankermasse ein ;;ü-

fit GL 'J 71 Ol 5

3098 0 9/017 2

giges überschreiten der neutralen Stellung, und anschließend wird die Sprungschaltkraft der Kronfedern 12 und 13 in gleichem Sinne, die Verstellbewegung unterstützend, wirksam. Die Federkraft erreicht sodann, im Laufe der zweiten Hubhälfte, ihr Maximum, bis kurz darauf die Endstellung am Anschlag erreicht ist. Im letzten Bereich der Hubbewegung wird somit keine elektromagnetische Verstellkraft mehr benötigt.

Der in Fig. 7 dargetellte elektromagnetische Zwei-Stellungs-Stößelantrieb kann zur Betätigung einer beliebigen, in der Zeichnung nicht dargestellten Anordnung verwendet werden, wobei durch Wahl fl| entsprechender Kronfederabraessüngen und durch geeignete Einstellung der Anschläge 24 und 25 die gewünschten Hubwege erreichbar sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Äußendurchmesser der Kronfedern etwa 60 mm, der Durchmesser der Gewindebolzen 6 mm und der Abstand zwischen den Einspannstellen der Kronfedern etwa 80 mm; mit dieser Anordnung können Axialkräfte in der Größenordnung von 800 bis 1000 ρ erzielt werden. Selbstverständlich ist aber auch jede andere Größe der verwendeten Bauelemente möglich, so daß die erforderliche axiale Verstellkraft den jeweiligen Anforderungen entsprechend gewählt werden kann.

Der Abstand zwischen den Kronfedern ergibt sich zwar aus den räumliehen Möglichkeiten des einzelnen Anwendungsfalles, jedoch soll ™ er einerseits für einen hinreichenden Lagerabstand zur axial genauen Führung des Stößels ausreichend groß sein, während andererseits ein unnötig großer Abstand zu vermeiden ist, weil sonst der Stößel infolge der außerhalb der instabilen Mittellage wirksamen Torsionsbeanspruchung eine Verdrehung erfährt und somit eine relative Verdrehung der Kronfeder-Innenringe auftritt, was insbesondere bei Stößeln von sehr geringem Querschnitt zu beachten ist.

«octet <* 971 O1S, 3_0g809/0172

Claims

2U3001

PATENTANSPRUCH

Bistabile Axialführung für Stößel und dergl., dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (1) in den Innenringen (2a, 3a) zweier benachbart und gegensinnig angeordneter Kronfedern (2, 3; 12, 13) verdrehfest eingespannt ist, die ihrerseits mit ihren Außenringen (2b, 3b) in einem Gehäuse (4; 14) oder dergl. stationär und verdrehfest unter Vorspannung eingespannt sind.

Docket GL· 9 71 015

309809/0 172

Leerseite