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Druckfeder Die Erfindung betrifft eine Druckfeder der im Oberbegriff
des Patentanspruches 9 genannten Art, die z.B. in Automobilmotoren als Ventilfeder
verwendet werden. Im ersten Betriebszustand st das Ventil geschlossen, im zweiten
Betriebszustand offen.
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Nach beendigung eines Hubes (Rückkehr von zweiten in den ersten Berriebszustand),
den cie Ventilfeder, durch die Nockenwelle erzwungen, ausführt, treten eigenfrequente
Schwingungen der Inneren Schubspannung k auf, die erst nach einer gewissen Zeit
abklingen. Die Schwingung sollte jedoch vor Beginn des nächsten Nubes vollkommen
abgeklungen sein, da eine zu diesem Zeitpunkt :cn vorhandene Restschwingung zu einer
Erhöhung des oberen Schubspannungswertes RkO führt. Die Erhöhung entspricht der
bei Beginn des Hubes noch vorhandenen Schwingungsamplitude. Diese Schubspannungserhöhung
stellt eine erhöhte Belastung der Feder der. Schwingungen sind generell unerwünscht;
sie können dazu führen, daß das Ventil - besonders bei hohen Drehzahlen - nicht
n:r richtig schließt. Das ist jedoch besonders in der Verdichtungsphase im Hinblick
auf einen guten Wirkungsgrad des Me- -,rs und eine vollständige Verbrennung des
Gemisches anzustreben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine als Ventilfeder verwendbare
Druckfeder der eingangs genannten Art zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist,
d.h. die insoweit ein günstgereres Drehzahlverhalten aufweist, als L;Cn bei höheren
Drehzahlen keine wesentliche Erhöhung der maximalen inneren Schubspannung auftri
t die darauf zurückzuführen ist, daf bei Beginn eines Ventilhubes die eigenfrequente
Schwingung der ir,-neren Schubspannung k noch nicht abgeklungen ist.
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Es ist nun bereits vorgeschiagen worden (Patentanmeldung P 24 5S 768.0
v. 18.12.1974), Druckfedern mit eingewundenen Endwindungen so auszubilden, daß die
sich zwischen den Endwlndungen und den sich daran anschließenden nächsten Windungen
ausbildenden Übergangsbereiche zumindest im zweiten Betriebs zustand an den jeweils
nächstliegenden Windungen über einen gewissen Bereich anliegen.
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Den gegenüber sieht die vorliegende Erfindung die Lösung dieser Aufgabe
durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale vor. Sie unterscheiden
sich von denjenigen des älteren Vorschlags dadurch, daß der Übergangsbereich zwischen
Windungen verschiedenen Durchmessers nicht nur beim Übergang von den eingewundenen
zu den ihnen benachbarten Windungen, sor,-dern vielmehr generell zwischen benachbarten
Windungen gegeben sein kann und es nicht mehr notwendig ist, die Übergangsbereiche
durch Einwinden von Windungen zu schaffen. Es ist vielmehr möglich, daß der Durchmesser-dieser
Windungen auch der größer als der Windungen des mittleren Bereiches der Druckfeder
ist.
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ine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß oh an
die Windungen, die gegenüber den restlichen Windunder Druckfeder unterschiedlichen
Durchmesser aufweisen, maiters Windungen anschllaßen die auf den erstgenannten Windungen
aufliegen. Sie tragen einer zum Federverhalten sicht bei, s also "tote" Windungen.
Diese vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus der Aufgabenstellung, auch bei
den erfindungsgemäßen Federn die Blocklänge, d.h. die Länge dc::' Druckfeder in
dem Zustand, in der alle Windungen aneinander anliegen, erhöhen zu können. Damit
kann man bestimmten Fesderung en, die sich aus Einbaumaßen ergeben, entsprechen,
daß das Federverhalten zu ändern ist. Gemäß einer weioberen vorteil@aften Weiterbildung
sind die Enden dieser weiteren Windungen angeschliffen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre vorteilhaften Weiverbildungen
werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es stellen dar: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel im
ersteh Betriebszustand (Ventil geschlossen); Ig-. 2 eine Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels
in Richtung der Pfeile II - II in Fig. 2; Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des
Bereiches III in Fig. 1 im zweiten Betriebszustand; 4 einen Querschnitt durch ein
zweites Ausführungsbeispiel im ersten Betriebszustand; Fig. 5a eine Darstellung
des Schwingungsverhaltens einer bekannten Druckfeder; Fig. Sb eine Darstellung des
Schwingungsverhaltens eines Ausführungsbeispiels.
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Fig. 1 zeigt eine Ventilfeder, die z.B. In einem Verbrennungsmotor
eingebaut sein kann, im ersten Betriebszustand (Ventl geschlossen). Der mit ITi
bezeichnete Ausschnitt ist In im zweiten Betriebszustand (Ventil geöffnet) dargestellt.
Da bei ist die Feder stärker zusammengepreßt. Die Ventilfeder weist einen mittleren
Bereich 1 auf. Er wird durch die drei Windungen 2, 3, 4 gebildet, die denselben
Außendurchmesser D haben. An die obere Windung, 4 schließt sich eine eingewundene
Windung 6 an, die den Außendurchmesser DB hat, der kleiner als D nst. Der Übergang
von der Windung 4 4 zur Windung 6 erfc'gt vLer einen Übergangsbereich 5. Der Außendurchmesser
D der neung 6 ist um soviel geringer als der Außendurchmesse cer Windungen 2, 3,
4 und die Steilheit der Windung 6 Ist soviel geringer als diejenige der Windungen
2, 3, 4, daß so in dem in Fig. 3 dargestellten Betriebszustand (Ventil offen; der
Übergangsbereich 5, der sich zwischen Windung 4 und Windung 6 ausbildet, entlang
eines Bereiches 7 an der Windung 4 anliegt. Die Reibung zwischen der Windung 4 und
dem Dbergangsbereich 5 führt zu einer besseren Dämpfung der Schwingungen der inneren
Schubspannung. Auf Windung 6 folgt eine weItere Windung 8, die jedoch auch in dem
in sig. 1 dargestellten Betriebs zustand (Ventil geschlossen) auf der Windung aufliegt.
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Auch beim Zusammendrücken der Ventilfeder ist also kein Zusammendrücken
der Windungen 8 mehr möglicn. Sie trägt also zur Federverhalten der gesamten Ventilfeder
nichts bei. Sie verlängert aber dennoch die Bauhöhe der Feder und damit auch dIe
Blocklänge. Die Windung 8 ist entlang einer senkrecht zur Federachse A verlaufende
Fläche 9 angeschliffen, mit der das obere Federende an einer Auflagefläche, entweder
am Ventilsitz oder am Kipphebel, aufliegt.
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sa untere Erde der Ventilfeder ist ebenso ausgebildet. An die Windung
2 schlIeßt sich nach einem Sbergangsbereich 10 eine ingewundene Windung 11 an. Sie
ist hinsichtlich Durchmesser und Steilheit so ausgebildet, daß. der Übergangsbereich
10 im Weiten Betriebszustand (Ventil offen) entlang eines Bereiches 2 an der Windung
2 2 anliegt, so daß durch Reibung eine Dämfung dr Schwi ungen er Schubspannung erzielt
wird. Auf die Winung il folgt die auf ihr aufliegende Windung 13 mit der ange-@@@iffenen
fläche 14. Bei einer praktischen Verwirklichung dies Ausführungsbeispiels war DA
= 35 mm, DB = 17 mm, der @@@erdrahtdurchmesser d = 3 mm.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gleiche Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin, daß sich die Windungen
D und 11, die sich oben bzw. unten an den mittleren Bereich 1 anschließen, größeren
Durchmesser als die Windungen das mittleren Bereiches aufweisen. Es git also für
das Aus-@@@@rungsbeispiel nach Fig. 4 DA < DB. Für die Einbauverhältrisse st
dann DA ma2.gebend. Daraus ergibt sich eine weitere Möglichkait, bei gegebenen Fedreigenschaften
die Einbaumaße zu variieren.
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den Fig. 5 und 5b ist die Verbesserung der Dämpfung der Sanwingungen
der inneren Schubspannung #k z.B. bei einer Drehzahl von n = 8000 U/min. zu ersehen.
Der starke kurzzeitige Lnstleg entspricht einem Ventilhub. Nach dem Schließen des
Ventils tritt eine erst nach und nach abklingende Schwingung der inneren Schubopannung
statt. Fig. 5a zeigt dabei das ViSalten einer bekannten Ventilfeder, d.h. einer
Ventilfeder ohne Dämpfung der Schwingung durch Reibung zweier aneinander über einen
gewissen
Bereich anliegenden benachbarten Windungen; Fig. 5 zeigt demgegenüber - für dieseiben
Einbauverhältnisse und ansonsten gleiche Dimensionierung der Feder - den Verlauf
der inneren Schubspannung für eine Feder, bei der eine Schwingungsdämpfung nach
der Erfindung stattfindet. Bei der erfindungsgemäßen Feder ist die Hubspannung #KH
erheblich geringer wie bei der entsprechenden bekannten Feder. Die Hubspannung #KH
ist die Differenz des oberen Schubspannungswertes#KO und des unteren Schubspannungswertes
#KU. Es gilt #KH = #KO - #KU Die Verringerung vonZkH ergibt sich daraus, daß die
Amplitude der Schwingung der inneren Schubspannung zum Zeitpunkt des Wiederöffnen
des Ventils bereits sehr klein geworden war. Entsprechend gering war die Restenergie
der Schwingung. Beim erneuten Öffnen as Ventils konnte sie also auch nicht zu einer
Erhöhung der oberen Schubspannung #KO und damit der Hubspannung #KH führen. Damit
ergibt sich bei der Erfindung eine geringere Schwingungsbelastung des Ventils und
eine geringere Hubspannung #KH. Beides führt zu einem Ventil, das "drehzahlfester"
ist, d.h. das auch noch bei hohen Drehzahlen sicher schließt. Die Ventilfeder ist
dabei so ausgelegt, daß sich eine Eigenfrequenz von 450 Hz ergibt.
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Dadurch, daß zusätzlich zu diesen Maßnahmen nun anschließend an die
Windungen 6 bzw. 11 noch jeweils eine weitere Windung 8 bzw. 13 vorgesehen ist,
die auf den Windungen 6 bzw. 11 aufligt, wird die Blocklänge der Feder, d.h. die
Länge im zusarumengepreßten Zustand, erhöht, ohne daß dies - wie dies ansonsten
bei im nicht belasteten Zustand nicht aneinanderliegenden Windungen der Fall wäre
- zu einer Änderung der Federeigenschaften selbst führen würde.
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Patentansprüche: