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Schraubenfeder zur Verwendung als Ventilfeder, insbesondere bei Verbrennungsmotoren.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Schraubenfeder aus Draht mit kreisförmigem
Querschnitt zur Verwendung als Ventilfeder, insbesondere bei Verbrennungsmotoren.
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Ventilfedern für die Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen werden
im allgemeinen als Zylinderfedern ausgebildet. Bei der Herstellung und Anwendung
von Ventil federn muß vor allem dafür gesorgt werden, daß ein sehr guter Sitz der
Federn auf der Unterlage erreicht wird, damit die Federkräfte gleichmäßig übertragen
werden. Damit dies erreicht wird, weisen die bekannten Ventilfedern an jedem Ende
1 1/2 nicht federnde Windungen auf, d.h. es werden zur Anzahl der federnden Windungen
insgesamt drei Windungen hinzugegeben. Hierdurch soll ein guter Übergang zwischen
den federnden Windungen und den toten Endwindungen, die der Überleitung der Federkräfte
auf die Teller dienen, bewirkt werden. Die Endwindungen werden dann über einen Bereich
von 0,75 Windungen angeschliffen und zwar seit, daß das Windungsende auf 1/4 der
ursprünglicher Drahtdicke abgeschliffen wird.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand nun
darin, eine Ventilfeder zu schaffen, die bei gleicher Beanspruchung eine geringere
Blocklänge aufweist und ein geringeres Gewicht besitzt. Dies ist von erheblicher
Bedeutung, da eine solche Feder nicht nur geringere Herstellungskosten verursacht,
sondern auch wesentliche Vorteile in der Anwendung bringt. Selbstverständlich muß
gleichzeitig sichergestellt werden, daß ein guter Sitz der Feder auf den Auflagetellern
gewährleistet ist und eine gleichmäßige Beanspruchung der Feder, sowie eine gute
und gleichmäßige Kraftübertragung auf den Ventilteller erreicht werden.
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Die Lösung der oben angegebenen Aufgabe geschieht bei einer Schraubenfeder
aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt erfindungsgemäß dadurch, daß an beiden Federenden
der Windungsdurchmesser nach den Federenden hin so abnimmt, daß der Außendurchmesser
jeder Endwindung bei 0,5 bis 1 Windungen vom Ende kleiner ist als der Innendurchmesser
der jeweils benachbarten Windung.
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Bei einer Ventilfeder,die als Zylinderfeder ausgebildet ist, hat es
sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Außendurchmesser jeder Endwindung
bei 0,75 Windungen vom Ende kleiner ist als der Innendurchmesser der Feder in Federmitte,
und im Bereich von 0,75 bis 1,5 Windungen vom Ende inkonstant ist. Hierdurch wird
ein besonders günstiger Beanspruchungsübergang zwischen der Endwindung und den federnden
Windungen erreicht, da in diesem Bereich die auftretenden Beanspruchungen von der
Feder her den Radien der Windungsdurchmesser direkt proportional sind.
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Es hat sich weiterhin als zwecksmäßig erwiesen, wenn der Außendurchmesser
jeder Endwindung vom Ende an bis 0,75 Windungen konstant ist, wobei er ca. 60 X
des Außendurchmessers der Feder in Federmitte betragen kann. Die Endwindungen können
über einen Bereich von 0,75 Windungen vom Ende her angeschliffen
sein.
Es genügt allerdings ein ganz schwaches Anschleifen für einen guten Sitz der Feder,
und das Abschleifen bis auf ein Viertel der Drahtdicke, wie bei den bekannten Federn,ist
nicht erforderlich.
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Mit der erfindungsgemäßen Feder gelingt es bei gleicher Beanspruchung
des Werkstoffes, wesentlich geringere Bauhöhen und wesentlich geringere Einsatzgewichte
und Fertiggewichte der Feder zu erreichen. Dies hat zur Folge, daß die bewegten
Massen im Ventiltrieb und damit die auftretenden Kräfte verringert werden können.
Auch die Bauhöhe des Motors kann auf diese Weise verringert werden, oder es kann
die gewonnene Höhe benutzt werden, um Kühlräume im Zylinderkopf zu vergrößern und
damit ein besseres thermisches Verhalten des Zylinderkopfes zu erreichen. Gleichzeitig
können höhere Motordrehzahlen erreicht werden.
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Im folgenden werden anhand der beigefügten Figuren die Eigenschaften
und Vorteile der erfindungsgemäßen Feder näher erläutert.
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In den Figuren 1 bis 3 ist zunächst zum Vergleich eine bekannte Ventilfeder,
die als reine Zylinderfeder ausgebildet ist, dargestellt. Hierbei zeigt Figur 1
die Feder im ungespannten Zustand in Seitenansicht, Figur 2 die Feder nach Figur
1 im blockierten Zustand in Seitenansicht, und Figur 3 die Feder nach Figur 1 in
einer Aufsicht auf die Endwindung.
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In den Figuren 4 bis 6 ist ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße
Feder dargestellt. Hierbei zeigt Figur 4 die Feder in Seitenansicht im ungespannten
Zustand, Figur 5 die Feder nach Figur 4 im blockierten-Zustand in Seitenansicht
und
Figur 6 die Feder nach Figur 4 in einer Aufsicht auf die Endwindung.
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In Figur 7 ist in einem Diagramm eine Kennlinie dargestellt, die sowohl
für die Feder nach Figur 1 bis 3 als auch für die Feder nach Figur 4 bis 6 Gültigkeit
hat.
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In den Figuren 1 bis 3 ist eine Ventilfeder bekannter Bauart dargestellt,
die als Schraubenfeder aus Draht mit kreisförmiyem Querschnitt vom Durchmesser d
gewickelt ist. Sie besitzt federnde Windungen 1 und an jedem Federende anderthalb
tote Endwindungen 2a, 2b, wobei die beiden Endwindungen über jeweils 3/4 Windung
mit einem Anschliff 3 versehen sind.
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Die in den Figuren 4 bis 6 dargestellte Feder ist in ihrem Mittelteil
ebenfalls als Zylinderfeder ausgebildet, d.h. die Windungen 4:besitzen hier alle
gleichen Windungsdurchmesser.
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Die Drahtdicke ist d. Die Endwindungen 5a und 5b dieser Feder sind
jedoch auf einen wesentlich kleineren Durchmesser eingerollt, der etwa 60 % des
Außendurchmessers der Windungen 4 beträgt. Als Endwindung sind jeweils nur 0,75
Windungen 5a und 5b vorgesehen, die einen ganz schwachen Anschliff 6 besitzen.
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Auf die 0,75 Endwindungen 5a und 5b mit konstantem Windungsdurchmesser
folgen weitere 0,75 Windungen 5c mit inkonstantem Durchmesser, d.h. der Durchmesser
steigt an bis nach 0,75 Windungen der Durchmesser der Windungen 4 der Zylinderfeder
erreicht ist. Diese 0,75 Windungen mit inkonstantem Windungsdurchmesser gewähren
einen günstigen Beanspruchungsübergang zwischen der jeweiligen Endwindung 5a und
5b und den federnden Windungen 4, da hier in diesem Bereich 5c die auftretenden
Beanspruchungen von der Feder her den Radien der Windung durchmesser direkt proportional
sind.
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Ein Vergleich der Figuren 2 und 5 zeigt, daß die Blocklänge der Feder
gemäß den Figuren 4 bis 6 wesentlich geringer ist als die Blocklänge der Feder gemäß
den Figuren 1 bis 3.
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Außerdem ist hieraus ersichtlich, das beim Blockieren der Feder die
Endwindungen Sa, Sb, da ihr Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser
der benachbarten Windungen, mindestens teilweise innerhalb der jeweils benachbarten
Windung liegen. Hierdurch ist ein guter Sitz der Feder auf den IAuflagetellern gewährleistet
trotz der Verkürzung der Endwindungen.
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Bemerkenswert ist, daß erreicht werden kann, daß die beiden einerseits
in den Figuren 1 bis 3 und andererseits in den Figuren 4 bis 6 dargestellten Federn
den gleichen Kennlinienverlauf besitzen, der in Figur 7 dargestellt ist. Die in
Figur 7 dargestellte. Kennlinie verläuft zunächst von Null bis zum Punkt Pl linear,
ist dann vom Punkt Pl bis zum Punkt P2 leicht progressiv ansteigend und vom Punkt
P2 bis zum Blockieren bei Punkt PBL wieder linear. Dieser Kennlinienverlauf hat
sich bei Ventil federn als besonders günstig für das' Schwingungsverhalten der Federn
erwiesen. Mit Pl, P2 sind die Federkräfte an den entsprechenden Stellen der Kennlinie
bezeichnet, während PBL die Federkraft beim Blockieren. der Feder ist. L0 ist die
Länge der uqFspannten Feder, die Längen Ll und L2 entsprechen den Federkräften Pl
und P2, während LBl die Blocklänge der Feder darstellt.
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Zum besseren Vergleich der beiden Federn wird im folgenden ein Zahlenbeispiel
für Ventil federn üblicher Abmessungen bei einem bestimmten Verbrennungsmotor gegeben.
Die Feder nach den Figuren 1 bis 3 wird dabei als Feder 1 bezeichnet, während die
Feder nach den-Figuren 4 bis 6 mit federII bezeichnet wird.
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-en Die Abmessung/der Federn sind wie folgt: Feder 1: Drahtdicke
(d) 4,55 mm Außendurchmesser (*Da) 42 mm
Gesamtwindungszahl 5,9
Anzahl der federnden Windungen 2,9 Blocklänge (LBl) 24,5 mm maximale Beanspruchung
96 kp/mm2 Federkräfte gemäß Kennlinie Figur 7 Pl 45 kp P2 85 kp PBl 95 kp Einsatzgewicht
89 g Elertiggewicht der an den Enden geschliffenen Feder 80 g.
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Feder II: Drahtdicke (d) 4,55 mm Außendurchmesser (bBJ 42 mm Durchmesser
(DAE) der eingerollten Endwindung 27 mm Zahl der Windungen 4,7 Zahl der federnden
Windungen 3,2 Blocklänge (LBl) 15 mm Einsatzgewicht 60 g Gewicht der geschliffenen
Feder 58 g Erhöhung der Schwingungszahl im sicheren Bereich um 20 X.
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Beanspruchung und Kennlinienverlauf entsprechen der Feder 1.
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Das oben beschriebene Beispiel zeigt, daß bei der Feder II eine beträchtliche
Werkstoffersparnis gegenüber der Feder I erreicht worden ist. Diese Ersparnis beträgt
beim Einsatzgewicht 32,7 % und beim Fertiggewicht 27,5 X. Weiterhin wird die erforderliche
Zerspanungsmenge wesentlich verringert, nämlich von 9 g bei der Feder I auf 2 g
bei der Feder II, was eine weitere Kosteneinsparung zur Folge hat.
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Von ganz besonderer Bedeutung ist die Einsparung an Blocklänge.
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Der Unterschied in den Blocklängen der beiden Federn I und II beträgt
9,5 mm. Dies ermöglicht eine Verkürzung des Ventilstößels um 9,5 mm. Darüber hinaus
wird der Auflageteller, der
das Federende aufnimmt, entsprechend
dem kleineren Durchmesser der Enwindungen ebenfalls leichter. Es hat sich gezeigt,
daß die MotordrehzahS um 20 % erhöht werden kann.
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Patentansprüche