DE2526775A1

DE2526775A1 - Armierte tellerfeder

Info

Publication number: DE2526775A1
Application number: DE19752526775
Authority: DE
Inventors: John H Dr Greenwood; Emmerich Dipl Ing Robitschek
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1974-07-24
Filing date: 1975-06-16
Publication date: 1976-02-12
Also published as: FR2279978A1; FR2279978B1; US4027865A; IT1039999B; SE7508305L; DE7519156U

Description

Auul. komb.

Ro /ho

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Armierte Tellerfeder

Die vorliegende Erfindung betrifft eine armierte Tellerfeder mit einer Kege1 schale aus elastisch verformbarem Material, die eine obere, ebene oder konvexe Fläche, eine untere, konkave Fläche, eine äuüsere Mantelfläche und eine innere Bohrung aufweist.

'fellerfedern, nach ihrem Erfinder auch Bellevilie-Federn genannt, sind Kegelschalen mit rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt, on. weisen sie ferner eine obere, an die Bohrung angrenzende und eine untere, an die Mantelfläche angrenzende ebene Auflagefläche auf, über welche die Lastübertragung gewährleistet wird. L¹Jo im Maschinenbau meist; verwendeten Tellerfedern bestehen aus Stahl und anderen Metallen, und gelangen,

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in Abhängigkeit von den erwünschten Federungscharakteristiken, einzeln oder in Gruppen zur Verwendung, wobei die letzteren in "Reihenschaltung" oder "Parallelschaltung" aufeinandergestapelt sein können. Diese isotropen Tellerfedern sind besonders ausführlich in den nachstehenden Literaturstellen beschrieben und analysiert worden:

a) Siegfried Gross: "Berechnung und Gestaltung von Metallfedern", 3. Auflage, I960 Springer-Verlag, Seiten 61·- 79;

b) J.ü. AlnicMi und Λ.Γ,ακζΙο: "The Uniform-Section Disk Spring" (Transactions of the ASME, Band 58, 1936, Seiten 305 - 314)

Im Generatoren- und Transformatorenbau werden Tellerfedern benötigt, die aus elektrisch isolierenden Materialien bestehen. Diese werden gegenwärtig aus glasfaserverstärkten (GFK) Kunststoffen hergestellt, die eine relativ gute Kombination von Steifigkeit und Festigkeit besitzen. Es werden Tellerfedern aus Mattenlaminat, aus Rohren geschnittene Ringe und Wellplatten verwendet.

Als Nachteil der GFK-Tellerfedern nach dem Stand der Technik ist zu erwähnen, dass ihre Steifigkeit wesentlich niedriger liegt ills diejenige der Stahlfedern. Ferner ist mit diesen Tellerfedern eine höhere Steifigkeit nicht wie mit Stahlfedern durch Aufeinanderstapeln zu erreichen, da die Grenzflächen zwischen überei innderliegenden Tellerfedern nicht auf die Dauer geschmiert werden können. Aus diesem Grunde ist die Steifigkeit und damit die Fedorkonstante ei nor* GFK-Tellerf eder

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stark begrenzt und reicht in vielen Füllen nicht aus. Ferner ist die durch die Fasern der bekannten Tellerfedern gewährleistete Verstärkung "ungerichtet", d.h. die Fasern leisten keinen gezielten Widerstand gegen gewisse der auftretenden ! τ format i onen . Viel mehl· ist diese Verstärkung gegen einige der auftretenden Deformationen übertrieben, jedoch nicht ausgenützt, während sir gegen andere Deformationen, insbesondere bei höheren Ik- Lautungen, nicht ausreicht. Dadurch leidet natürlich die !Steifigkeit der Tellerfeder und damit ihre Belastbarkeit .

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorerwähnten Nachteile der bekannten glasfaserverstärkten Tellerfedern zu vermeiden, und eine mit zweckmässig gestalteter und angeordneter Armierung versehene anisotrope Tellerfeder zu schaffen, die gezielten und ausreichenden Widerstand gegen die bei ihrer Belastung auftretenden Deformationen leistet, und im Vergleich mit den bekannten Tellerfedern einerseits eine wesentlich höhere Steifigkeit und damit Federkonstante, andererseits eine höhere Kraftübertragungsfähigkeit, d.h. Belastbarkeit, besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im Inneren der Kegelschale mindestens annähernd koaxial mit der Federachse verlaufende Armierungselemente in midestens einer Schicht eingebettet sind, die wenigstens gegen einige der bei axialer Belastung der Feder auftretenden Deformationen gezielten Widerstand Leisten.

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Nachstehend werden Ausfurhungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Tellerfeder mit Zylindermantel formigen Armierungselementen;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine einen Trapezquerschnitt aufweisenden Tellerfeder mit voneinander getrennten Zug- und Druckarmierungselementen;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Tellerfeder mit kegelmantelförmigen Armierungselementen;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Variante der Tellerfeder nach der Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Tellerfeder mit ebenen, mattenförmigen Armierungselementen;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines kegelmantelförmigen oder mattenförmigen Armierungselementes;

Fig. 7 einen Schnitt durch eine Tellerfeder mit zylindermantelfürmigen und kegelmantelförmigen Armierungselementen;

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Fig. 8 einen Schnitt durch eine Tellerfeder mit mehreren Arten von Armierungselementen;

Fig. 9 ein Kraft-Federweg-Diagramm zum Vergleich einer erfindungsgemässen GFK-Tellerfeder mit einer bekannten GFK-Tellerfeder;

Fig. 10 einen Schnitt durch eine in konventioneller Weise belastete, aus isotropem Material bestehende Tellerfeder mit Hechteckquerschnitt; und

Fig. 11 eine Darstellung der berechneten tangentialen Spannungen entlang der radialen Breite der isotropen Tellerfeder nach der B¹Ig. Io.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Jede der in den Figuren 1 bis 5, 7 und 8 gezeigten anisotropen Tellerfedern weist eine Kegelschale 1 und in dieselbe eingebettete, zur Erhöhung der Steifigkeit der Tellerfeder dienende Armierungselemente auf. Die Armierungselemente erfüllen den spezifischen Zweck, zusätzlichen Widerstand gegen die durch Belastung der Tellerfeder hervorgerufenen Deformationen aufzubringen. Alle gezeigten Tellerfedern sind rotationskörperörmig ausgebildet und entsprechen bezüglich ihrer Form den im Maschi-

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nenbau meist verwendeten Tellerfedern. Die ebenfalls rotationskörperförmig ausgebildeten Armierungselemente besitzen Mantellinien, die mit der Rotationsachse 4 Winkel bilden, die zwischen 0° und 90° liegen.

Die in der Fig. 1 dargestellte anisotrope Tellerfeder besteht aus einer Kegelschale 1 mit der Bohrung 2, der äusseren Mantelfläche 3, der oberen, konvexen Fläche 5, der unteren konkaven Fläche 6, der oberen Auflagefläche 10, der unteren Auflagefläche 11 und den Armierungselementen 12. Die letzteren sind im Inneren der aus elektrisch isolierfähigem Material bestehenden Kegelschale 1 eingebettet, leisten gegen tangentiale Zug- und Druckdeformationen Widerstand und erhöhen damit die Steifigkeit der Tellerfeder.

Bei der Tellerfeder nach der Fig. 2 besitzt die Kegelschale 1 einen annähernd trapezförmigen Querschnitt, in dessen Innerem die Druckarmierungselemente 13 und die von diesen getrennten Zugarmierungselemente 14 angeordnet sind. Die Druckarmierungselemente 13 sind in gleichen Abständen wie die Zugarmierungselemente I^ nebeneinander angeordnet. Da jedoch die tangentialen Druckdeformal ionon höher sind als die tangentialen Zugdeformationen und da ferner ein Armierungselement gewöhnlich eine geringere Druck- als Zugfestigkeit besitzt, wachsen die axialen Höhen der Armierungselemente 13 nach Massgabe der Variation der tangentialen Druckdeformationen und damit der

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Spannungen von aussen nach innen. Es könnten zum gleichen Zweck Armierungselemente gleicher Höhe verwendet werden, die von aussen nach innen progressiv dichter nebeneinander angeordnet sind.

Die Tellerfeder nach der Fig. 3 weist kegelmanteiförmige Armierungselemente 15 auf, deren Verjüngungsrichtung derjenigen der Kegelschale 1 entgegengerichtet ist, die ferner übereinander angeordnet und über die ganze Dicke der Kegclschnle 1 verteilt sind. Sie leisten einerseits gegen tangentiale Zug- und Druckdeformationen, anderseits gegen axiale Schubdeformationen Widerstand. Der Verjüngungswinkel der Armierungselemente 15 hat Einfluss auf das Ausmass des gegen die verschiedenen Deformationen geleisteten Widerstandes und wird im Einzelfall mit Rücksicht auf die jeweiligen Anforderungen gewählt.

Die Tellerfeder nach der Fig. 4 unterscheidet sich in ihrer Konstruktion von derjenigen nach der Fig. 3 lediglich durch die Tatsache, dass die Verjüngungsrichtung der Armierungselemente 15 der Verjüngungsrichtung der Kegelschale 1 entspricht, wobei sich jedoch die Verjüngungswinkel voneinander unterscheiden. Hier leisten die Armierungselemente 15 auch gegen in Richtung der Mantellinie wirkende Zug- und Druckdeformationen zusätzlichen Widerstand, insbesondere wenn Fasern der Armierungselemente 15 in Richtung ihrer Mantellinien verlaufen.

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Die Armierungoelemente 16 der Tellerfeder nach der Fig. 5 können als Grenzfall der Armierungselemente Vj der Tellerfeder nach der Fig. 4 betrachtet werden. Hier sind die Armierungselemente 16 übereinander und parallel zueinander angeordnete Matten, deren "Mantellinien" mit der Rotationsachse h einen Winkel von 90 bilden und die gleichzeitig gegen tangentiale Zug- und Druckdeformationen, gegen radiale Zug- und Druckdeformationen und gegen axiale Schubdeformationen Widerstand leisten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Matten Fasern 17, 18 aufweisen, die einerseits in Umfangsrichtung , anderseits in radialer Richtung verlaufen, wie dies in der Fig. 6 dargestellt ist.

Bei der Tellerfeder nach der Fig. 7 verlaufen die kegelmantelförmigen Armierungselemente 19 derart, dass ihre Mantellinien zu denjenigen der Kegelschale 1 parallel angeordnet sind. Diese Variante besitzt relativ hohen Widerstand gegen in Richtung der Mantellinie verlaufende Zug- und Druckdeformationen und gegen axiale Schubdeformationen. Sie besitzt also hohe Steifigkeit, besonders wenn sie mit den dargestellten zylindrischen Armierunpselementen 12 ausgestattet ist, die gegen tangential« Zug- und Druckdeformationen zusätzlichen Widerstand leisten. Wenn die Armierungselemente 19 aus Fasern gewebt sind, kann ihre die Steifigkeit der Tellerfeder erhöhende Wirkung dadurch ge-

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steigert werden, dass die Fasern in Umfangsrichtung und in Richtung der Mantellinie verlaufen.

Die in der Fig. 8 dargestellte Tellerfeder weist eine Armierung auf, die eine Kombination der Armierungen der in den Figuren 5 und 7 gezeigten Tellerfedern ist. Die ebenen Matten 16 leisten Widerstand sowohl gegen radiale als auch gegen tangent iale Zug- und Druckdeformationen. Die Armierungselemente 12 und 19 leisten zusätzlichen Widerstand gegen radiale und tangentiale Zug- und Druckdeformationen und erhöhen die Steifigkeit der Tellerfeder in erheblichem Masse.

Die bei Belastung der Tellerfeder in der Kegelschale auftretenden, auf die Armierungselemente zu übertragenden Deformationen sind in verschiedenen Bereichen der Tellerfeder verschieden. Dementsprechend sind die Armierungselemente so gewählt, ausgebildet und verteilt, dass sie einerseits die Festigkeit aufweisen, die zur Gewährleistung gezielten, zusätzlichen Widerstandes gegen die in dem an sie angrenzenden Bereich der Kegelschale auftretenden Deformationen erforderlich ist, andererseits, dass sie in denjenigen Bereichen der Kegelschale vorgesehen sind, in welchen die Deformationen am grössten sind. Zudem können die Querschnitt «abmessungen der Armierungselemente und/oder die Abstände zwischen benachbarten Armierungselementen entlang der radialen Breite und/oder der Dicke der Kegelschale nach Massga-

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be des erwünschten aufzubringenden Widerstandes variieren. Ferr\er können die Zugarmierungselemente von den Druckarmierungselementen getrennt und bezüglich des Materials und der Querschnittsabmessungen verschieden sein. Auch müssen die Armierungselemente nicht unbedingt über die ganze radiale Breite oder axiale Dicke der Kegelschale verteilt sein. Vielmehr können sie auf einen spezifischen Bereich der Kegelschale, beispielsweise auf den Bereich grösster Deformationen beschränkt sein.

Zur Erzielung höchster Steifigkeit ist es zweckmässig, in dem an den Umfang angrenzenden Bereich der Kegelschale die grösstmögliche Anzahl von Armierungselementen unterzubringen. Da die Deformationen im genannten Bereich der Kegelschale einerseits tangentiale, anderseits radiale Deformationen sind, ist es empfehlenswert, Armierungselemente in den betreffenden Bereichen so anzuordnen, dass sie sowohl gegen tangentiale als auch gegen radiale Deformationen Widerstand leisten. Da die tangentialen grosser als die radialen Deformationen sind, ist der Beitrag der in Umfangsrichtung verlaufenden Armierungselemente zur Erhöhung der Steifigkeit grosser. Jedoch soll die versteifende Wirkung radialer Armierungselemente nicht unterschätzt werden, insbesondere da sie auch gegen axiale Schubdeformationen Widerstand gewährleisten.

Bei allen dargestellten Tellerfedern können die Armierungselemente einzeln, d.h. voneinander getrennt, oder zusammenhän-

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gend, d.h. miteinander verbunden sein. So können beispielsweise die zylindermantelförmigen oder die kegelmantelförmigen
Armierungselemente als kontinuierliche Spiralen oder als zueinander konzentrisch angeordnete Schleifen, und die mattenförmigen Armierungnelemente als einzelne Matten oder in Form
einer Schraubenfläche zusammenhängend ausgebildet sein. Ferner können bei den verschiedenen gezeigten Tellerfedern zusätzlich Gewebe, Matten oder kurzgeschnittene Fasern in der Kegelschale eingebettet sein, wenn dies zweckmässig ist.

Die Armierungselemente können beispielsweise aus Folienmaterial oder aus Fasermaterial hergestellt sein. Im letztern Fall können die Fasern als Einzelfasern, als Faserstränge, als Gewebe
oder Matten in den Armierungselementen Verwendung finden. Wenn
maximale Steifigkeit angestrebt wird, sollen die Fasern in Umfangsrichtung und in Richtung der Mantellinie verlaufen.

Es ist ferner wesentlich ein einwandfreies Zusammenwirken zwischen der Kegelschale und den Armierungselementen zu realisieren, da bei Belastung der Tellerfeder die Last unmittelbar auf die Kegelschale einwirkt, und durch diese auf die Armierungselemente über die gemeinsamen Berührungsflächen übertragen
wird. Zwischen dem Kegelschalenmaterial und den Armierungselementen soll also eine Kraftübertragungsmöglichkeit vorhanden
sein, um die Deformationen der Kegelschale auf die Armierungs-

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elemente restlos, ohne Relativbewegung zueinander zu übertragen.

In manchen Fällen reichen die Haftkräfte zwischen den Armierungselementen und der Kegelschale zur Realisierung der gemeinsamen Deformationen aus. Bei grösseren Belastungen bzw. bei angestrebter höheren Steifigkeit werden die genannten Haftkräfte durch besondere Ausbildung der mit dem Kegelschalenmaterial in Berührung kommenden Aussenflachen der Armierungselemente, d.h. durch Vergrösserung der aktiven Berührungsflächen durch Oberflächenbearbeitung, beispielsweise durch Aufrauhen, erhöht. Ferner kann eine intime Verflechtung der Armierungselemente mit der Kegelschale dadurch erzielt werden, dass die Armierungselemente mit Hohlräumen, etwa in gitteFförmiger Anordnung, ausgebildet werden, durch welche das Kegelschalenmaterial hindurchdringt. Dadurch wird einerseits die Uebertragung der Kegelschalendeformationen auf die Armierungselemente erleichtert, anderseits die Kontinuität des Kegelschalenmaterials erhalten, so dass keine eigentlichen Trennungsflächen zwischen den Armierungselementen und dem Kegelschalenmaterial gebildet werden, und keine Schwächung der Tellerfeder, die sonst an derartigen Flächen auftritt, stattfindet.

Vom Standpunkt maximaler Haftung zwischen Armierungselement und Kegelschalenmaterial ist es wünschenswert, jedes Armierungselement in das Kegelschalenmaterial so einzubetten, dass

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jede Faser separat mit Kegelschalenmaterial umgeben ist. Dadurch wird erreicht, dass die an der Berührungsfläche zwischen den Armierungsfasern und dem Kegelschalenmaterial bei Belastung der Tellerfeder auftretende Reibung gross genug ist, um jegliche Relativbewegung zwischen Armierungsfasern und Kegelschalenmaterial zu verhindern, und die Uebertragung der Deformationen auf das Armierungselement auch bei höheren Belastungen ohne Gefährdung der Haftung zu ermöglichen. Einzelne Fasern sind jedoch schwer zu handhaben, so dass ein aus Fasern gewebtes, in der Fig. 6 dargestelltes gitterartiges Gebilde mit zweckmässig bemessenen Hohlräumen dem Zweck viel besser entspricht. Noch ist zu bemerken, dass es bezüglich der Verwendbarkeit zum vorliegenden Zweck, vom Standpunkt der mechanischen Feistigkeit gute und schlechte Materialpaarungen gibt, d.h. solche, deren Möglichkeiten voll ausgenützt, und solche, deren Möglichkeiten nicht ausgenützt werden können.

Die Kegelschale besitzt gewöhnlich eine obere und eine untere Auflagefläche und weist einen Rechteckquerschnitt, einen Trapezquerschnitt, oder einen anderen, zur Erzielung einer erwünschten Kraft-Federweg-Charakteristik zweckmässig gestalteten Querschnitt auf. Bezüglich .ihres Materials hat die Kegelschale noch Bedingungen zu erfüllen, die für die einwandfreie Funktion der Tellerfeder Vorbedingungen sind. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu erkennen, dass die verschiedenen Deformationen, die eine armierte Tellerfeder zu-

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folge einer Höhenverminderung erlitt, im wesentlichen gleich djsn Deformationen sind, die eine aus gleichem Kegelschalenmaterial bestehende, und gleiche Form und Abmessungen aufweisende, nicht armierte Kegelschale zufolge der gleichen Höhenverminderung erlitt. Mit anderen Worten, beim Flachdrücken einer armierten Tellerfeder treten in ihrer Kegelschale im wesentlichen gleich grosse Deformationen auf, wie die Deformationen, die beim Flachdrücken einer aus gleichem Kegelschalenmaterial bestehenden nicht armierten Tellerfeder gleicher Form und gleichen Abmessungen auftreten. Der Unterschied im Verhalten dieser zwei Kegelschalen besteht lediglich darin, dass eine grössere Belastung notwendig ist, in einer Kegelschale einer armierten Tellerfeder die gleichen Deformationen hervorzurufen, als in der Kegelschale einer nicht armierten Tellerfeder. Die Differenz zwischen diesen beiden Belastungen wird selbstverständlich zur Verformung der Armierungselemente, d.h. zur Ueberwindung des durch die Armierung aufgebrachten Widerstandes benötigt.

Dadurch ergibt sich eine wesentliche Bedingung, die die Kegelschale einer armierten Tellerfeder in bezug auf Material, Form und Abmessungen erfüllen muss, nämlich, dass ein nicht armiertes Probestück von der gleichen Form wie die Tellerfeder, die Deformationen und damit Spannungen ohne plastische Verformung aush'ilt, die bei Belastung der armierten Tellerfeder maximal

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zu erwarten sind. Die Erfüllung dieser Bedingung garantiert auch, dass die armierte Tellerfeder bei Aufhören der Belastung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt. Die genannte Bedingung kann bei gegebenem Kegelschalenmaterial durch zweckmässige Wahl der Form und der Abmessungen der Kegelschale, und bei gegebener Form und gegebenen Abmessungen durch zweckmässige Wahl des Kegelschalenmaterials erfüllt werden.

Wenn die Tellerfeder elektrisch isolierend sein soll, ist es empfehlenswert, alle ihre Bestandteile aus elektrisch isolierenden Materialien herzustellen. Wenn jedoch elektrische Isolierfähigkeit nicht zwingend ist, können die Kegelschale aus einem Metall und die Armierungselemente aus einem anderen Metall, oder die Kegelschale aus Kunststoff und die Armierungs-> elemente aus Metalldraht hergestellt sein.

Bei den in der Praxis vorkommenden Anwendungen sind die Anforderungen immer wieder verschieden. Diese Anforderungen können sich auf die Form, die Abmessungen, das Material, die Federkonstante und damit die Belastbarkeit der Tellerfeder beziehen. Für jeden praktischen Fall gibt es mehrere Lösungen, von denen die beste aufgrund relativ einfacher Berechnungen gewählt werden kann.

Der überraschende Kffekt, der sich schon bei den ersten Versuchen mit Tellerfedern mit kombinierten Zug- und Druckarmie-

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rungselementen deutlich gezeigt hat, ist die wesentlich höhere Steifigkeit einer nach der Erfindung armierten Tellerfeder im Vergleich mit einer GFK-Tellerfeder nach dem Stand der Technik. Die Ergebnisse eines derartigen Versuches sind in der Fig. 9 dargestellt, welche ein Kraft-Federweg-Diagramm (l=f(s) Diagramm) zum Vergleich von paarweise getesteten Tellerfedern zeigt. In diesem Diagramm bezieht sich die Kurve 20 auf ein Tellerfedernpaar aus Mattenlaminat (Epoxydharz + Glasfasern) nach dem Stand der Technik, und die Kurve 21 auf ein nach einer Ausführungsform der Erfindung armiertes Tellerfedernpaar, bei welchem die Kegelschale aus zykloalipatischem Epoxydharz und die Armierung aus Ε-Glasfasern besteht. Wenn man die durch die Neigungen der Kurven 20 und 21 gegebenen Steifigkeitswerte der getesteten Tellerfedernpaare miteinander vergleicht, geht hervor, dass die Steifigkeit des armierten Tellerfedernpaares nicht weniger als um 50? höher liegt als diejenige nach dem Stand der Technik. Zudem ist noch hinzuzufügen, dass die Möglichkeiten der Steigerung der Steifigkeit in den bis jetzt durchgeführten Versuchen noch nicht erschöpft worden sind.

Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung wird nachstehend die bekannte Theorie der isotropen Tellerfeder kurz aufgeführt und ihre Anwendung auf die erfindungsgemässe anisotrope Tellerfeder erläutert.

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Zur Verformung einer isotropen Tellerfeder von ihrem anfänglichen offenen Zustand in ihren zusammengedrückten Zustand wird auf die Tellerfeder eine axiale Kraft ausgeübt die eine Formänderungyarbeit leistet. Der durch die Tellerfeder aufgebrachte Widerstand entspricht der Summe aller elementaren Widerstände gegen die einzelnen elementaren Deformationen, die beim Zusammendrücken der Tellerfeder hervorgerufen werden. Diese bestehen bekanntlich aus tangentialen und radialen Dehnungen im unteren Dereich der Tellerfeder, aus tangentialen und radialen Verkürzungen im oberen Bereich der Tellerfeder und aus Verschiebungen von koaxialen rohrförmigen Elementen relativ zueinander. Beim Zustandekommen dieser Deformationen treten in der Tellerfeder Spannungen auf, die entsprechend den verschiedenen Arten dieser Deformationen im unteren Bereich der Tellerfeder tangentiale und radiale Zugspannungen, im oberen Bereich der Tellerfeder tangentiale und radiale Druckspannungen und an zylindrischen Umfangsflächen der Tellerfeder axiale Schubspannungen sind. Für isotrope Materialien, die dem Hooke' sehen Gesetz gehorchen sind die folgenden Beziehungen gültig:

wobei £ die Dehnung, (J die Normalspannung, E der Elastizitäts modul, Ag- die Formanderungsarbeit der Normalspannungen, ^*die Verdrehung, fdie Schubspannung, G der Schubmodul und A^ die Formänderungsarbeit der Schubspannungen ist.

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Die beim Zusammendrücken der Tellerfeder hervorgerufenen Zug- und Druckspannungen O" sind also dem Elastizitätsmodul E und die Schubspannungen *L dem Schubmodul G proportional. Daraus lässt sich schliessen, dass eine Tellerfeder, die aus einem Material besteht, das einen hohen E-und G-Modul aufweist, einen grösseren Kraftaufwand und damit mehr Formänderungsarbeit zum Zusammendrücken erfordert als eine Tellerfeder aus einem Material mit niedrigem E- und G-Modul. Zur Erzielung einer hohen Steifigkeit soll also die isotrope Tellerfeder aus einem zähen Material mit hohem E- und G-Modul bestehen.

Selbstverständlich unterliegt die isotrope Tellerfeder der Einschränkung, dass bei maximaler Höhenverminderung keine plastische Verformung auftreten soll, d.h. die hervorgerufenen Spannungen und Deformationen dürfen zulässige, innerhalb der elastischen Grenze liegende Werte nicht überschreiten.

Eine isotrope Tellerfeder der vorangehend beschriebenen Art ist in der Fig. 10 dargestellt. Diese ist eine gewöhnliche Belleville-Feder, die aus einer einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden isotropen Kegelschale 1 besteht. Die über dem Umfang des inneren und des äusseren Randes der Tellerfeder gleichmässig verteilte Last Q drückt die Feder flacher, d.h. vermindert ihre freie lichte Höhe h auf einen (nicht eingezeichneten) Wert h. Der Unterschied h - h = f ist also ihre

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Federung. Die beim Flachdrücken der Tellerfeder in ihren verschiedenen Bereichen auftretenden tangentialen Spannungen sind in der Fig. 11 dargestellt, welche aus der früher erwähnten Literaturstelle von J.O.Almen und A.Laszlo entnommen ist. Diese tangentialen Spannungen sind nach den in der ebenfalls schon erwähnten Literaturstelle a) von Siegfried Gross aufgeführten Beziehungen berechenbar.

Das Diagramm nach der Fig. 11 zeigt in qualitativer Weise die Verteilung der tangentialen Spannungen in radialer Richtung der isotropen Tellerfeder, die bei deren Verformung aus dem unbelasteten Zustand 1Λ in den belasteten, flachgedrückten Zustand IB auftreten. Dabei bezieht sich die Kurve 7 auf die obere Fläche 5, die Kurve B auf die untere Fläche 6 und die Kurve 9 auf die mittlere Fläche B-B der Tellerfeder. Aus dem Diagramm geht hervor,

a) dass die an der oberen Fläche 5 der Tellerfeder auftretenden tangentialen Spannungen Druckspannungen sind, deren Maximalwert bei der Kante der Bohrung 2 liegt;

b) dass die an der unteren Fläche 6 der Tellerfeder auftretenden tangentialen Spannungen Zugspannungen sind, deren Maximalwert bei der Kante der Mantelfläche 3 liegt;

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c) dass die an der mittleren Kegelfläche B-B der Tellerfeder

» auftretenden tangentialen Spannungen im Bereich der Bohrung 2 Druckspannungen sind, deren Maximalwert bei der Bohrung liegt, wogegen sie im äusseren Bereich Zugspannungen sind, deren Maximalwert bei der Mantelfläche 3 liegt; und

d) dass die grösste aller tangentialen Spannungen die Druckspannung ist, die an der oberen Fläche 5 bei der Kante der Bohrung 2 auftritt, und die einzige ist, die in fast allen praktischen Fällen beim Entwerfen von isotropen Metall-Tellerfedern berücksichtigt werden muss.

Die in einer isotropen Tellerfeder bei Belastung entlang ihrer radialen Breite auftretenden radialen Zug- und Druckspannungen variieren ebenfalls zwischen relativ weiten Grenzen, in einer Art, die der in der Fig. 11 gezeigten Variation der tangentialen Spannungen ähnlich ist, doch liegen diese Grenzen wesentlich niedriger als dies bei den tangentialen Spannungen der Fall war. Die Werte der Schubspannungen sind auch relativ niedrig und sind dem Radius umgekehrt proportional, d.h. sie steigen entlang der radialen Breite der Tellerfeder von aussen nach innen.

Die obigen für isotrope Metallfedern gültigen Aussagen sind in qualitativer Hinsicht auch für aus isotropem Kunststoffma-

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terial bestehende, nicht armierte Tellerfedern anwendbar. Jedoch ist nicht ausser Acht zu lassen, dass die elastischen Charkateristiken der Kunststoffe von den Hooke'schen Merkmalen ziemlich stark abweichen können, und dass bei manchen Kunststoffen wesentliche Unterschiede zwischen dem Zugfestigkeitswert und dein Druckfestigkeitswert bestehön. Beim Entwerfen müssen also nicht nur die tangentialen Druckspannungen, wie bei isotropen Metallfedern, sondern auch die tangentialen Zugspannungen, die radialen Zug- und Druckspannungen und die axialen Schubspannungen berücksichtigt werden.

Wenn nun eine anisotrope Tellerfeder mit einer Kegelschale aus Kunststoffmaterial gebaut werden soll, die auch hohe Steifigkeit besitzt, sind für die Kegelschale die vorstehenden Aussagen gültig, die in bezug auf die Verteilung der Spannungen in der Kegelschale aufschlussreich sind. Die Verteilung der Spannungen lässt qualitativ auch auf die Verteilung der Deformationen schliessen, die bei Hooke'schen Materialien den Spannungen direkt proprotional sind, und bei nicht Hooke'schen Materialien mit den Spannungen zwar nicht proportional, jedoch direkt variieren. Da die tangontialen Deformationen der Kegelschale bei weitem die grössten sind, ist es zur Erhöhung der Steifigkeit einer Tellerfeder am wirkungsvollsten, ihren Widerstand gegen tangentiale Deformationen mit Hilfe von in Umfangsrichtung verlaufenden Armie-

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rungselementen zu erhöhen. Selbstverständlich können im Einzelfall in radialer Richtung oder in Richtung der Mantellinie der Kegelschale verlaufende Armierungselemente einen bedeutenden Beitrag zur Erhöhung der Steifigkeit leisten. Auch soll
darauf hingewiesen werden, dass eine belastete Tellerfeder
etwa ähnlich wirkt wie ein belasteter Balken, dessen Durchbiegung mit dem Quadrat, nniner Länge steigt und mit seinem Trägheitsmoment d.h. mit der vierten Potenz seiner Höhe umgekehrt variiert. Eine kleine und dicke Tellerfeder ist also wesentlich steifer als eine grosse und dünne, und die Armierungselemente sind umso wirkungsvoller, je weiter sie von der "neutralen" Fläche der Tellerfeder entfernt sind.

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Patentansprüche

(l. Armierte Tellerfeder mit einer Kegelschale aus elastisch verformbarem Material, die eine obere, ebene oder konvexe Fläche, eine untere konkave Fläche, eine äussere Mantelfläche und eine innere Bohrung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Kegelschale (1) mindestens annähernd koaxial mit der Federachse (^JO verlaufende Armierungselemente (12; 13; Ib; 16; 19) in mindestens einer Schicht eingebettet sind, die wenigstens gegen einige der bei axialer Belastung der Feder auftretenden Deformationen gezielten Widerstand leisten.

2. Tellerfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Armierungselemente mindestens je einen wenigstens annähernd rotattionskörperförmigen Teil aufweisen, dessen Mantellinie mit der Rotationsachse (4) einen Winkel bildet, der zwischen 0 und 9o liegt.

3. Tellerfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungselemente so ausgebildet sind, dass die in ihnen bei maximaler Federung der Tellerfeder auftretenden Spannungen innerhalb der elastischen Grenze des Armierungselementmaterials liegen.

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4. Tellerfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass V die Querschnittsabmessungen der Armierungselemente und/ oder die Abstände zwischen benachbarten Armierungselementen entlang der radialen Breite und/oder der Dicke der Kegelschale (1) nach Massgabe des aufzubringenden Widerstandes variieren.

5. Tellerfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Armierungselemente aus Folienmaterial bestehen.

6. Tellerfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Armierungselemente Fasern aufweisen, die als Einzelfasern, als Faserstränge, als Gewebe oder als Matten ausgebildet sind.

7. Tellerfeder nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch in Richtung der Mantellinie und/oder in Umfangsrichtung verlaufende Fasern.

8. Tellerfeder nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Armierungselemente mit ebenen (16) und/oder zylindermanteiförmigen (12) Teilen.

9. Tellerfeder nach Anspruch 2, gekennzeichnet - durch Armierungselemente mit kegelmantelförmigen Teilen (15).

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10. Tellerfeder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, >_v. dass die Verjüngungsrichtung der kegelmantelförmigen Teile (15) der Verjüngungsrichtung der Kegelschale (1) entgegengerichtet ist.

11. Tellerfeder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngungsrichtung der kegelmantelförmigen Teile (15) der Verjüngungsrichtung der Kegelschale (1) entspricht.

12. Tellerfeder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantel linien der kegelförmigen Teile (19) zu den Mantellinien der Kegelschale (1) paralle verlaufen.

15. Tellerfeder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch voneinander getrennte und/oder miteinander verbundene Armierungselemente .

14. Tellerfeder nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungselemente als kontinuierliche Spiralen oder als zueinander konzentrisch angeordnete ringförmige Schleifen ausgebildet sind.

15. Tellerfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Armierungselement im Kegelschalenmaterial derart festgehalten ist, dass bei Belastung der Tellerfeder die

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Deformationen der Kegelschale (1) und des Arrcierungs- » elementes zusammen, ohne Relativbewegung zueinander vor sich gehen.

16. Tellerfeder nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der mit dem Kegelschalenmaterial in Berührung stehenden Flächen der Armierungselemente oberflächenbehandelt sind, um die Haftung an den Berührungsflächen zu erhöhen.

17. Tellerfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Armierungselemente Hohlräume aufweisen, die vom Kegelschalenmaterial durchdrungen sind, um die Kontinuität des letzteren zu bewahren.

18. Tellerfeder nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelschale (1) mindestens annähernd einen Rechteckquerschnitt, einen Trapezquerschnitt oder einen anderen, zur Erzielung einer erwünschten Kraft-Federweg-Charakteristik zweckmässig gestalteten Querschnitt aufweist.

19. Tellerfeder nach Anspruch 1 und b, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelschale (1) und/oder die Armierungselemente aus elektrisch isolierenden Materialien bestehen.

09887/033 4 original inspected

25/R775

20. Tellerfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass V durch Wahl der Form, der Abmessungen und des Kegelschalenmaterials die Bedingung erfüllt ist, dass ein nicht armiertes Probestück von der gleichen Form wie die Tellerfeder, die Deformationen, die bei Belastung der armierten Tellerfeder maximal zu erwarten sind, mindestens annähernd ohne plastische Verformung aushält.

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ORIGINAL INSPECTED

509887/033A