DE2545196A1

DE2545196A1 - Reibungsfeder

Info

Publication number: DE2545196A1
Application number: DE19752545196
Authority: DE
Inventors: Josef Dr Friedrichs; Hermann Haarkoetter; Jacky Dipl Ing Paumen; Horst-Dieter Dipl Ing Schaefer
Original assignee: Ringfeder GmbH
Current assignee: Ringfeder GmbH
Priority date: 1975-10-09
Filing date: 1975-10-09
Publication date: 1977-04-14
Also published as: IT1075765B; FR2327474A1

Description

Ringfeder G.m.b.H. . M. IOI3

4150 Krefeld-Uerdingen

Reibungsfeder

Die Erfindung betrifft eine Reibungsfeder, bestehend aus geschlossenen Außen- und geschlossenen oder geschlitzten Innenringen mit einerseits konischen, unter Axialkräften sich ineinanderschiebenden Berührungsflächen und andererseits zylindrisch ausgebildeten Umfangsflächen. Derartige Federn finden in solchen Bereichen der Technik Anwendung, wo Stöße von großer Energie aufzunehmen und zu dämpfen sind, beispielsweise bei Seitenpuffern und Federwerken zur automatischen Kupplung von Schienenfahrzeugen, im Maschinenbau usw.

Unter einer axialen Kraft erfahren die Außen- und Innenringe Zugbzw. Druckbeanspruchungen, wobei an den konischen Berührungsflächen der Ringe Reibungskräfte wirksam werden, die - unter Umwandlung eines Teils der aufgenommenen Energie in Wärme - bei Fortfall der axialen Kraft zu einer Verminderung der Rückstoßkraft und damit zur Dämpfung der Feder führen.

Ringförmige Reibungsfedern sind an sich seit über 5° Jahren bekannt. Ausgehend von der Lösung nach DT-PS 358 328, die noch eine beliebige Gestaltung der Ringquerschnitte ausweist, wurde das Problem der Lebensdauer für die Ringe mehrfach angegangen. Gemäß der DT-PS 463 159 wird dieses Problem darin gesehen, daß bei gleichen Querschnitten und damit größenmäßig gleicher Beanspruchung beider Ringarten der zugbeanspruchte Außenring gegenüber Belastungswechseln wesentlich anfälliger ist als der druckbeanspruchte Innenring. Infolgedessen sieht die Lösung nach dieser Schrift vor, die Außen- und Innenringe auf gleiche Ermüdungsgrenzen, also auf eine gleiche Zeitfestigkeit, abzustimmen, sei es durch Vergrößerung der Querschnittsfläche der Außenringe gegenüber der der Innenringe oder durch Herstellung der Ringe aus verschiedenen Werkstoffen oder

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durch beide Maßnahmen zugleich. Die vorbeschriebene Problemstellung und Lösung beinhalten jedoch nur eine Teilaufgabe und einen Teilschritt in Richtung auf eine umfassende Forderung bzw. optimale Lösung. Die nach der bekannten Lösung vorliegende 1. Alterna tivmaßnahme, die Querschnittsflache der Außenringe gegenüber der der Innenringe größer zu gestalten, erbringt zwar eine Verringerung der Zugbeanspruchung für die erstgenannten Ringe, gleichzeitig aber, und zwar wesentlich nachteilig, eine Verringerung der Federarbeit entsprechend der dafür gültigen Formel

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¥ = Va : 2E, verbunden mit einer geringeren Materialausnutzung.

Die 2. Alternativmaßnahme gemäß der Lösung nach der DT-PS 463 159, die Ringe aus verschiedenen Werkstoffen herzustellen, führt ebenfalls nachteilig zu einem erhöhten Aufwand hinsichtlich der Beschaffung, Lagerhaltung und Bearbeitung. Die 3. Möglichkeit einer gemeinsamen Anwendung der vorgenannten beiden ersten mit Nachteilen behafteten Maßnahmen muß daher selbst auch nachteilig sein.

Die in der DT-PS 463 159 enthaltene Weiterbildung der durch die vorbeschriebenen drei Alternativmaßnahmen gekennzeichneten Lösung, nämlich die innere Umfangsflache der Innenringe nach außen und die äußere Umfangsflache der Außenringe nach innen bogenförmig gekrümmt auszubilden, hat zwingenderweise die diesen drei Maßnahmen eigentümlichen, aufgezeigten Nachteile. Betrachtet man die Weiterbildung für sich, also getrennt von der eigentlichen Lösung, so ergibt sich im wesentlichen durch die bogenförmig gekrümmte Ausbildung der Umfangsflächen der Ringe zwar eine günstigere Spannungsverteilung in den Ringen und damit auch eine Verbesserung der Lebensdauer; die Ringe stehen jedoch in etwa kreislinienförmiger Berührung mit den an ihnen anliegenden Führungsteilen (z„B. beim Außenring mit der Hülse eines Seitenpuffers). Da nun insbesondere bei einer langen, aus diesen Ringen gebildeten Federsäule eine gewisse Instabilität vorliegt, tritt als Folge ein Verschleiß an den Rändern der Ringe auf. Gerade hier aber haben im Extremfall bei

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den zugbeanspruehten und darum anfälligeren Außenringen auftretende Dauerbrüche ihren Anfang. Schließlich besteht bei diesen Ringen wegen der bogenförmig gekrümmten Umfangsflachen die Gefahr einer Verkantung und Verklemmung.

Es ist ferner noch bekannt, bei einer ringförmigen Reibungsfeder den Konuswinkel der Innenringe kleiner als den Konuswinkel der Außenringe auszubilden, wodurch sich im unbelasteten Zustand der Feder ein winkliger Spalt bildet, dessen Scheitel jeweils zur Mitte des Außenringes hin gerichtet ist. Unter einer Axialkraft nähern sich die Konusflächen bis zur gegenseitigen Anlage aufeinander zu. In diesem Zustand bleibt aber eine Entlastung des Außenringes speziell an seiner gefährdeten Stirnfläche bestehen, so daß es bei präziser Fertigung und unter vorgeschriebenen Betriebsbedingungen nicht mehr zu einer von dieser Fläche ausgehenden Zerstörung kommt (DT-PS 1 286 818). Als nachteilig wird an dieser Feder der für eine präzise Fertigung nötige größere Aufwand angesehen. Kommt es, wie im Walzprozeß nicht ganz zu vermeiden, zu negativen Streuungen in der Ausführung der Konuswinkel, können sich einzelne Ringpaare ergeben, bei denen die erstrebte Entlastung des Außenringes nicht im vollen Umfang vorliegt. Zwar weist eine aus solchen Ringen gebildete Federsäule auf Grund der Häufigkeit der Ringpaarungen zur Gutseite hin insgesamt gesehen eine höhere Lebensdauer bzw. eine größere Federarbeit auf; die zuvor beschriebenen möglichen Abweichungen der Konuswinkel werden jedoch als störend empfunden. - Im Sinne einer präzisen Fertigung sind die verschleißanfälligen Walzwerkzeuge in bestimmten Zeitintervallen zu erneuern. Da hierbei auf zwei unterschiedliche Winkelausführungen für jeden Werkzeugsatz zu achten ist, ergibt sich insoweit ein höherer Aufwand in der Herstellung und Kontrolle dieser Werkzeuge. Dieser Aufwand ist bei einer Massenfertigung mit kürzeren Erneuerungsintervallen für die Walzwerkzeuge recht erheblich. Schließlich besteht bei der Herstel-

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lung solcher Werkzeuge eher die Möglichkeit zu Fehlern, als wenn immer nur gleiche Winkel auszuführen wären.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Reibungsfeder der gattungsgemäßen Art unter Beseitigung der aufgezeigten Mängel zu verbessern, dabei insbesondere ihre Fertigung zu vereinfachen und zu verbilligen und die Feder so auszulegen, daß - weitgehend unabhängig von nicht zu vermeidenden Fertigungsabweichungen - die besonders gefährdeten Bereiche an den Stirnflächen der zugbeanspruchten Außenringe im Sinne einer optimalen Lebensdauer der Feder entlastet werden, wobei diese im weiteren eine hohe Federarbeit erbringen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Innenring an seiner zylindrischen ümfangsfläche eine zur Längsachse der Feder hin gerichtete Ausnehmung aufweist, die von der innerhalb der größten Umfangslinie des Innenringes liegenden Ebene ausgeht und zu dieser Umfangslinie im Abstand angeordnet ist, und der zwischen der Ausnehmung und der größten umfangslinie verbleibende, nahe dieser Ebene liegende Querschnittsbereich des Innenringes mit einem entsprechenden, der Stirnfläche benachbarten Querschnittsbereieh des Außenringes derart abgestimmt ist, daß die Spannungen in diesem Querschnittsbereich im Sinne einer gleichen Lebensdauer beider Ringe kleiner als die in dem Querschnittsbereich des Innenringes sind, wobei in an sich bekannter Weise die Konuswinkel der beiden Ringe gleich sind.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere in folgendem:

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Bei der konstruktiven Auslegung der Feder hat man es in der Hand, die im Sinne einer gleichen und damit optimalen Lebensdauer für den Innen- und Außenring gewünschte spannungsmäßige Entlastung des Außenringes in einfacher und billiger, von Fertigungsabweichungen weitgehend unabhängiger Weise zu erreichen, da sich die Maßnahmen dafür auf wesentlich kleinere Querschnittsbereiche der beiden Ringe erstrecken. Für die Fertigung kommt noch durch die Anordnung der Ausnehmung im Innenring eine Materialersparnis hinzu.

Da weiter der am Außenring für dessen Entlastung allein herangezogene, den Stirnflächen jeweils benachbarte Querschnittsbereich über seine Höhe mitbestimmend für den Gesamtquerschnitt des Außenringes ist, ergibt sich - im Gegensatz zu einer im Sinne einer gleichen Lebensdauer beider Ringarten schlechthin durchgeführten Querschnittsvergrößerung des Außenringes - bei diesem Ring ein kleinerer Gesamtquerschnitt und damit die Möglichkeit einer besseren Materialausnutzung. Diese Materialausnutzung kann für den Querschnittsbereich des Ringes, der an den der Stirnfläche benachbarten Querschnittsbereieh anschließt, ohne Gefahr für den letztgenannten Bereich spannungsmäßig bis an die Grenze der zulässigen Beanspruchung gesteigert werden, so daß eine höhere Federarbeit zu erreichen ist.

Für die Betrachtung der Auswirkung von Radialkräften bei solchen Reibungsfedern ist von einem jeweils aus einem halben Innen- und Außenring gebildeten Federelement auszugehen, das heißt also von Ringen mit einfachkonischen Berührungsflächen. Um nun die entgegengesetzt in den Flächenschwerpunkten der Ringhälften eines derartigen Federelementes wirkenden Radialkräfte bei maximalem Federhub im Sinne einer weitgehenden Vermeidung eines sonst die Spannungen in den Rand- und Mittenbereichen der Ringe erhöhenden Drehmomentes möglichst auf eine gemeinsame Wirkungslinie zu bringen, sieht die erste Weiterbildung der Erfindung vor, daß der Außenring an seiner zylindrischen ümfangsfläche eine von der Längsachse der Feder weg

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gerichtete Ausnehmung aufweist, die von einer Verlängerung der innerhalb der kleinsten Umfangslinie des Außenringes liegenden Ebene ausgeht und zu dieser Ümfangslinie im Abstand angeordnet ist.

Dem gleichen Zweck wie vor dient die darin bestehende Ausbildung der Erfindung, daß der Konuswinkel des Innenringes und des Außenringes, wie an sich bekannt, bis nahe an den Bereich der Selbsthemmung ausgelegt sind.

Schließlich ist es nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung gegeben, daß der Innen- und Außenring in an sich bekannter Weise doppel- oder einfachkonisch ausgebildet sind.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführung sbei spielen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Reibungsfeder mit doppelkonischen Berührungsflächen, im Schnitt,

Fig. 2 eine Weiterbildung der Feder nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Reibungsfeder mit einfachkonischen Berührungsflächen, im Schnitt,

Fig. 4 eine Weiterbildung der Feder nach Fig. 3» sämtlich in belastetem Zustand gezeichnet.

Bei der mit doppelkonischen Berührungsflächen ausgebildeten Reibungsfeder nach Fig. 1 weist der Innenring 1 an seiner inneren, zylindrischen Umfangsflache la eine Ausnehmung Ib auf, die zu der nicht dargestellten Längsachse der Feder hin gerichtet ist. Dabei geht die Ausnehmung Ib von der innerhalb der größten Ümfangslinie Ic des Innenringes 1, welche durch den Scheitelpunkt seiner koni-

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sehen Berührungsflächen gebildet wird, liegenden Ebene aus. Der nahe dieser Ebene und zwischen der Ausnehmung Ib und der Umfangslinie Ic befindliche Querschnittsbereich Id ist unter Berücksichtigung der auftretenden Tangential-, Radial- und Längsspannung, zusammengefaßt als Vergleichsspannung, sowie der aus der Radialspannung folgenden Biegespannung ausgelegt. Der demnach bestimmte Querschnittsbereich Id des Innenringes 1 ist im weiteren mit einem entsprechenden, an die Stirnfläche 2a des Außenringes 2, der eine zylindrische Umfangsflache 2c aufweist, anschließenden Querschnittsbereich 2b so abgestimmt, daß die in diesem Bereich auftretenden Spannungen kleiner als die vorgenannten Spannungen im Quersehnittsbereich Id des Innenringes 1 sind.

Die Weiterbildung der in Fig. 1 dargestellten Feder besteht gemäß Fig. 2 in der an der zylindrischen Umfangsflache 2c des Außenringes 2 angeordneten Ausnehmung 2d. Diese geht von einer Verlängerung der innerhalb der kleinsten Umfangslinie 2e liegenden Ebene aus, wobei die Umfangslinie 2e durch den Scheitelpunkt der konischen Berührungsflächen gebildet und die Ausnehmung 2d von der nicht dargestellten Längsachse der Feder weg gerichtet ist. Für den Zweck dieser Anordnung wird auf den der ersten Weiterbildung der Erfindung vorausgehenden Teil der Beschreibungseinleitung verwiesen; aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß für diesen Zweck bei einem durch jeweils einen halben Innen- und Außenring gebildeten Federelement - entsprechend also der einfachkonischen Ringausführung nach Fig. h - die Querschnitte dieser Ringhälften im Sinne einer möglichst gemeinsamen Wirkungslinie für die entgegengesetzt in den Flächenschwerpunkten der Ringhälftenquerschnitte wirksamen Radialkräfte ausgelegt sind.

Die einfaehkonischen Federn nach Fig. 3 und h entsprechen in ihrem übrigen Aufbau den Federn nach Fig. 1 bzw. nach Fig_o 2, so daß sich ein weiteres Eingehen auf diese Federn erübrigt.

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Claims

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Patentansprüche:

Reibungsfeder, bestehend aus geschlossenen Außen- und geschlossenen oder geschlitzten Innenringen mit einerseits konischen, unter Axialkräften sich ineinanderschiebenden Berührungsflächen und andererseits zylindrisch ausgebildeten Umfangsf lachen, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (l) an seiner zylindrischen Umfangsflache (la) eine zur Längsachse der Feder hin gerichtete Ausnehmung (Ib) aufweist, die von der innerhalb der größten Umfangslinie (ic) des Innenringes (l) liegenden Ebene ausgeht und zu dieser Umfangslinie (ic) im Abstand angeordnet ist, und der zwischen der Ausnehmung (lb) und der größten Umfangslinie (ic) verbleibende, nahe dieser Ebene liegende Querschnittsbereich (ld) des Innenrxnges (l) mit einem entsprechenden, der Stirnfläche (2a) benachbarten Querschnittsbereich (2b) des Außenringes (2) derart abgestimmt ist, daß die Spannungen in diesem Querschnittsbereich (2b) im Sinne einer gleichen Lebensdauer beider Ringe (l und 2) kleiner als die in dem Querschnittsbereich (ld) des Innenringes (l) sind, wobei in an sich bekannter Weise die Konuswinkel der beiden Ringe (l und 2) gleich sind.
2. Reibungsfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (2) an seiner zylindrischen Umfangsflache (2c) eine von der Längsachse der Feder weg gerichtete Ausnehmung (2d) aufweist, die von einer Verlängerung der innerhalb der kleinsten Umfangslinie (2e) des Außenringes (2) liegenden Ebene ausgeht und zu dieser Umfangslinie (2e) im Abstand angeordnet ist.

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3. Reibungsfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel des Innenringes (l) und des Außenringes (2), wie an sich bekannt, bis nahe an den Bereich der Selbsthemmung ausgelegt sind.
k. Reibungsfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (l) und der Außenring (2) in an sich bekannter Weise doppelkonisch ausgebildet sind.
5. Reibungsfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (l) und der Außenring (2) in an sich bekannter Weise exnfachkonxsch ausgebildet sind.

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