DE2619123A1

DE2619123A1 - Auf zug beanspruchte schraubenfeder

Info

Publication number: DE2619123A1
Application number: DE19762619123
Authority: DE
Inventors: Kurt Rupprecht
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1976-05-03
Filing date: 1976-05-03
Publication date: 1977-11-10
Also published as: US4088311A; DE2619123C3; DE2619123B2; GB1580410A

Description

Aktiengesellschaft

ί.

3180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 2158
1702-pt-gn-jä

3 U. 4. 76

Auf Zug beanspruchte Schraubenfeder

Auf Zug beanspruchte Schraubenfedern sind in der Hegel mit mittig, das heißt in der Pederlängsachse angeordneten Federösen versehen. Im Normalfall werden die Federn dabei so eingebaut,.daß die Einhängung der Federösen in die zu beaufschlagenden Bauteile mit der Lastrichtung der Federn übereinstimmt, das heißt in der Federlängsachse liegt. Sie werden also zentrisch, das heißt symmetrisch belastet.

In vielen Fällen ergibt sich jedoch, beispielsweise aus Platzgründen, die Notwendigkeit, Schraubenfedern mit außermittig angeordneten Federösen einzusetzen« Dabei wird dann mittels besonderer Anschläge, die entweder von innen oder außen am Federkörper wirksam werden können, dafür gesorgt, daß die Schraubenfeder, das heißt der Federkörper, räumlich fixiert ist und nicht etwa bei Belastung seitlich auswandert. Verwendet werden solche unsymmetrischen Schraubenfedern beispielsweise in Kraftfahrzeug-Trommelbremsen, als Bückzugfedern.

Wie man in der Zeichnung aus den Figuren 1a, 1b, und 2a, 2b erkennen kann, die jeweils eine Seitenansicht sowie eine Draufsicht einer symmetrisch bzw. einer unsymmetrisch angeordneten und belasteten, auf Zug beanspruchten Schraubenfeder zeigen, liegt die Wirklinie der an den Federösen angreifenden Federkraft im ersten Falle genau

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in der Pederlängsachse, während sie im zweiten Falle parallel dazu verläuft. Während im ersten Falle am Federkörper somit an allen Stellen des Federkörpers gleichmäßig ein dem Produkt aus Federkraft und Windungshalbmesser entsprechendes Biegemoment wirksam ist und die Schraubenfeder iaaterialmäßig daher auch gleichmäßig beansprucht wird, ist die materialmäßige Beanspruchung der Feder im zweiten Falle in den einzelnen Bereichen der Federwindungen unterschiedlich groß. In den einzelnen Bereichen sind nämlich unterschiedlich große Biegemomente wirksam. Dieses ist in dem auf Höhe der Federöse liegenden Windungsbereich zum Beispiel 0 und in dem gegenüberliegenden Windungsbereich doppelt so groß wie bei der symmetrischen Schraubenfeder. Bei Belastung verbiegt sich eine derartige Schraubenfeder und es ergibt sich bei einer erzwungenen Anlage der Windimgen an einem Führungsteil eine Verwerfung des Federkörpers, das heißt die nebeneinanderliegenden Federwindungen nehmen unterschiedlich große Steigungen ein.

Ausgehend von einer auf Zug beanspruchten Schraubenfeder mit außermittig angeordneten Federösen, bei der zumindest die beiden äußersten Windungen einen senkrecht zur Federlängsachse wirkenden Anschlag aufweisen, durch welche die räumliche Lage des Federkörpers fixiert ist, liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, diese Schraubenfeder unter Berücksichtigung ihrer Einbauverhältnisse so auszubilden, daß ihre materialmäßige Beanspruchung bei Belastung zumindest annähernd der Beanspruchung einer symmetrisch belasteten Schraubenfeder entspricht .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Federösen bezogen auf die Federlängsachse - bei nicht eingebauter Feder eine andere Neigung aufweisen als bei eingebauter Feder, derart, daß bei eingebauter Feder auf den Federkörper ein resultierendes Biegemoment ausgeübt wird, welches in seiner Größe und Richtung zumindest annähernd dem Biegemoment entspricht, welches bei mittig angeordneten Federösen auf den Federkörper ausgeübt werden würde, wobei vorzugsweise die Neigungsdifferenz der Federösen zwischen nicht eingebautem und eingebautem Zustand zumindest annähernd den Wert

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ΤΛλ7 JL

GEI

besitzt,

wobei D den mittleren Vindungsdurchmesser, 1 den Abstand zwischen Federkörper und Federöseninnenkanbe und P_ die benötigte Federkraft in Einbaulage darstellt.

Trotz extremer Einbaulage wird der Federwerkstoff der Schraubenfeder mit außermittigen Federösen durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ähnlich optimal ausgenutzt wie bei symmetrisch ausgebildeten Schrau benfedern. Im Vergleich zu sonst üblichen unsymmetrischen Schraubenfedern wird das Federvolumen verringert und die sonst auftretende Federverwerfung vermieden. Da die so ausgebildete unsymmetrische Schraubenfeder bei Belastung gerade bleibt und die Windungen gleiche Steigung aufweisen, ist es nunmehr auch möglich, die Feder bezüglich Federkraft, Federvolumen usw. exakt auszulegen.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen erläutert.

In der Zeichnung zeigen

die Figuren 1a und 1b die Seitenansicht sowie die Draufsicht einer

symmetrisch ausgebildeten, auf Zug beanspruchten Schraubenfeder,

die Figuren 2a und 2b die Seitenansicht sowie die Draufsicht einer

unsymmetrisch ausgebildeten entsprechenden Schraubenfeder,

eine in einer Trommelbremse eingesetzte herkömmliche unsymmetrisch ausgebildete Schraubenfeder und

4b die Seitenansicht einer gemäß der Erfindung aus-• gestalteten, unsymmetrisch ausgebildeten Schraubenfeder vor dem Einbau und nach dem Einbau.

Figur 5

die Figuren 4a

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In den Figuren 1 und 2 ist jeweils nur ein Teil einer auf Zug beanspruchten Schraubenfeder dargestellt, deren Federösenu mit 1 und deren Federkörper mit 2 beziffert sind. Die Federösen 1 bestehen aus einem gestreckten Teil 11 und einem in das zu beaufschlagende Bauelement einzuhängenden gebogenen Teil 12. An disaem greift dia mi P-, bezeichnete Federkraft an. Die in Figur 1 dargestellte symmetrisch ausgebildete Schraubenfeder ist in Richtung der Federlängsachse belastet, da - wie Seitenansicht und Draufsicht leicht erkennen lassen - die Wirkrichtung der an der Federöse angreifenden Federkraft genau in der Federlängsachse liegt. Die einzelnen Windungen der Schraubenfeder werden hierbei an jeder Stelle ihres Fmfan-

■■■" ' ■ - ^Dm

ges mit einem Moment der Größe M_ » P_ —s— beaufschlagt.

Andere Beanspruchungsverhältnisse liegen bei der in Figur 2 gezeigten Schraubenfeder vor. Bei dieser auf Zug beanspruchten Schraubenfeder sind die Federösen 1 nicht mittig, sondern außermittig angeordnet. Wie den Seitenansicht und Draufsicht zeigenden Figuren 2a und 2b zu entnehmen ist, ist die Wirkriohtung der an der Federöse 1 angreifenden Federkraft P„ in diesem Ausführungsbeispiel um den halben Windungsdurchmesser D gegen die Federlängsachse versetzt. Es ist leicht erkennbar, daß daher entlang dem Windungsumfang in diesem Falle durch die Federkraft P_v unterschiedlich große Biegemomente hervorgerufen werden. So ist in dem in Figur 2a mit 6' bezeichneten Bereich der Federwindungen wegen des fehlenden Hebelarmes kein Biegemoment wirksam, wogegen in dem mit 7 bezeichne ten Federwindungsbereich ein Biegemoment EL = P_ D wirksam ist, welches also doppelt so groß wie das der in Figur 1 gezeigten symmetrisch belasteten Schraubenfeder ist. Ohne besondere Vorkehrungen würde eine auf Zug belastete Schraubenfeder der in Figur 2 gezeigten Art bei Belastung seitlich auswandern. Um dies zu verhindern, ist ein seknrecht zur Federlängsachse wirkender Anschlag 5 in Form eines durch den Federkörper 2 hindurchgeführten Bolzens vorgesehen, durch welchen die räumliche Lage des Federkörpers fixiert ist.

Figur 3 zeigt eine in eine Kraftfahrzeug-Trommelbremse als Rückzugfeder eingebaute Schraubenfeder der in Figur 2 gezeigten Art. Die beiden Federösen 1 sind hierbei in in den Bremsbacken 4 befindliche

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Einhängeöffnungen 5 eingehängt. Als den Federkörper 2 räumlich fixierender Anschlag dient die durch den Pederkörper hindurchgeführte Druckstange der Trommelbremse. Eine solche Schraubenfederanordnung wird gewählt, wenn der Bauraum oberhalb der Druckstange

3 zu klein ist, um eine symmetrisch aufgebaute und belastete Schraubenfeder als Zugfeder einzusetzen. Deutlich erkennbar ist, wie sich die Schraubenfeder aufgrund der auf sie einwirkenden Belastung verwirft, denn die Steigung der einzelnen Pederwindungen ist deutlich unters chie dlich·

Bei den in den Figuren 2 und 3 gezeigten herkömmlichen unsymmetrisch ausgebildeten Schraubenfedern behielten die Pederösen 1 - bezogen auf die Pederlängsachse - ihre im nichteingebauten Zustand eingenommene Stellung auch im eingebauten Zustand bei. In den gezeigten Beispielen verliefen die Pederösen vor und nach dem Einbau zumindest annähernd parallel zur Federachse.

Gemäß der Erfindung sind die Federösen 1 einer Schraubenfeder mit außermittig angeordneten Pederösen nun so ausgebildet, daß sie bezogen auf die Pederlängsachse - bei nichteingebauter Peder eine andere Neigung aufweisen als bei eingebauter Peder. In dem in Figur

4 dargestellten Ausführungsbeispiel - diese Figuren zeigen die Seitenansicht einer Schraubenfeder mit außermittig angreifenden Pederösen, die Draufsicht entspricht der der Figur 2b - sind die Federösen 1 im nichteingebauten, unbelasteten Zustand zur Pederlängsachse hin abgebogen. Man erkennt, daß in der durch den Einbau erzwungenen Lage, wie sie in Figur 4& dargestellt ist, auf den Pederkörper i/fm^inken Federbereich im Uhrzeigersinn und im rechten Federbereich entgegen dem Uhrzeigersinn wirkendes Biegemoment der Größe M = P 1 einwirkt. Mit P ist dabei die auf die Federöse einwirkende Querkraft und mit 1 der Abstand der Federösen-Innenkante vom Federkörper 2 bezeichnet. Man erkennt, daß sich dieses durch die Abbiegung der Pederösen erzwungene Biegemoment M demzuvor erwähnten, durch die an den Pederösen 1 angreifende Federkraft P„ erzeugten Biegemoment M_ überlagert und zwar derart, daß das resultierende Biegemoment im mit 1 bezifferten Windungsbereich wegen der einander entgegenwirkenden Drehmomente abnimmt und im mit 6 bezifferten Bereich der Federwindungen zunimmt·

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Die Stellung der Federösen 1 der nichteingebauten Federn (Figur 4a) wird so gewählt, daß die bei Einbau der Feder (Figur 4b) erzwungene Lage das gleiche Biegemoment auf den Federkörper 2 bringt, wie es bei zentrisch belasteten Federn vorliegt.

D
M_n = P-, -~- = M - P 1

P ·" ρ Μ

1 F 2 l·

Die Drehrichtung des aufgebrachten Momentes ist dabei besonders zu beachten. Mit zunehmender Federösenlänge 1 wird die erforderliche Querkraft 'P kleiner und damit auch die Aufbiegebeanspruchung der ersten und letzten Windung, an denen sich die Gegenkraft zu P abstützt. Um die erforderliche Querkraft P zu erzielen, müssen die Federösen um den Betrag f.. (siehe Figur 4a) gegen die Einbaulage versetzt angeordnet sein. Dieser Betrag ergibt sich nach den allgemeinen Regeln der Mechanik für einen einseitig eingespannten Träger gleichen Querschnitts zu

¹I 5 E I *"

Mit dem oben angegebenen Wert für P ergibt sich daraus D_m

¹I 6 E I ^F.
Darin bedeuten D den mittleren Windungsdurchmesser, 1 den Abstand der Federösen-Innenkante vom Federkörper 2, P_ die Federkraft der Schraibenfeder, E das Elastizitätsmodul und I das Trägheitsmoment der Schraubenfeder. Die Neigungsdifferenz der Federösen 1 zwischen nichteingebautem und eingebautem Zustand beträgt somit

"1"6EI

Durch die getroffenen Maßnahmen wird die mit außermittig angeordneten Federösen 1 versehene Schraubenfeder materialmäßig annähernd so belastet wie eine symmetrisch belastete Schraubenfeder. Lediglich die erste und die letzte Windung werden durch die aufgebrachte zusätzliche Querkraft geringfügig höher belastet als bei symmetrisch belasteten Federn. Wie ein Vergleich zwischen den Figuren 3 und 4b zeigt, treten Verwerfungen (unterschiedliche Steigungen der einzelnen Federwindungen)

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vie sie bei unsymmetrisch belasteten Schraubenfedern herkömmlicher Art auftreten, bei Anwendung der vorgeschlagenen Maßnahmen nicht mehr auf.

Me Erfindung wurde anhand eine3 Ausführungsbeispieles erläutert, bei welchem der gestreckte Teil der Federösen im nichteingebauten Zustand schräg zur Federlängsachse geneigt ist und im eingebauten Zustand parallel zur Federachse verläuft. Es versteht sich, daß der angestrebte Effekt auch mit von dem Ausführungsbeispiel abweichenden Anordnungen erzielt werden kann. Beispielsweise wäre es denkbar, die Federösen einer Schraubenfeder so auszubilden, daß sie im nichteingebauten Zustand etwa parallel zur Federlängsachse verlaufen und im eingebauten Zustand zwangsweise schräg nach oben laufen. Entscheidend ist, daß die zuvor erwähnte Neigungsdifferenz der Federösen erreicht wird.

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Claims

ANSPRÜCHE

Auf Zug beanspruchte Schraubenfeder mit außermittig· angeordneten Federösen, bei der zumindest die beiden äußersten Windungen einen senkrecht zur Federlängsachse wirkenden Anschlag aufweisen, durch welche die räumliche Lage des Federkörpers fixiert
ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Federösen (1) - bezogen auf die Federlängsachse - bei nicht eingebauter Feder eine andere Neigung aufweisen als bei eingebauter Feder, derart, daß bei eingebauter Feder auf den Federkörper (2) ein resultierendes Biegemoment ausgeübt wird, welches in seiner Größe und Richtung zumindest annähernd dem Biegemoment entspricht, welches bei mittig angeordneten Federösen auf den Federkörper ausgeübt werden würde.
2. Schraubenfeder nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die !Teigungsdifferenz der Federösen (1) zwischen nicht eingebautem und eingebautem Zustand zumindest annähernd den Wert

f D P
(L « -γ- = besitzt,

wobei D den mittleren Windungsdurchmesser, 1 den Abstand zwischen Federkörper (2) und Federöseninnenkante und P-, die benötigte Federkraft in Einbaulage darstellt.

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