DE2619123B2 - Auf Zug beanspruchte Schraubenfeder - Google Patents

Description

tan α =

DJPf 6El

besitit, wobei D_n, den mittleren Windungsdurchmesser, 1 den Abstand zwischen Federkörper (2) und Federöseninnenkante und P_F die benötigte Federkraft in Einbaulage darstellt, so daß auf den Federkörper (2) bei eingebauter Feder ein resultierendes Biegemoment ausgeübt wird, welches in seiner Größe und Richtung zumindest annähernd dem Biegemoment entspricht, welches bei mittig angeordneten Federösen auf den Federkörper (2) ausgeübt werden würde.

Auf Zug beanspruchte Schraubenfedern sind in der Regel mit mittig, das heißt in der Federlängsachse 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 Rückzugfedern.

Wie man in der Zeichnung aus den F i g. 1 a, Ib 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 Fall genau in der Federlängsachse, 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 materialmäßig 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 Scbraubenfeder. Bei Belastung verbiegt sich eine derartige Schraubenfeder, und es ergibt sich bei einer erzwungenen Anlage der Windungen an einem Führungsteil eine Verwerfung des Federkörpers, das heißt die nebeneinanderliegenden Federwindungen nehmen unterschiedlieh große Steigungen ein.

Ausgehend von einer auf Zug beanspruchten Schraubenfeder der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art, 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 durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst

Zur Lösung der Aufgabe wird also eine Schraubenfeder mit schräggestellten Federösen eingesetzt und die Schrägstellung der Federösen so bemessen, daß die Neigungsdifferenz der Federösen zwischen nicht eingebautem und eingebautem Zustand einen bestimmten Wert annimmt Schraubenfedern mit schräggestellten Federösen sind als solche bekannt (DIN Blatt 2097, Bild 14, Ausgabe Mai 1973), jedoch ist die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Bemessung neu und von besonderem Vorteil.

Trotz extremer Einbaulage wird der Federwerkstoff der Schraubenfeder mit außermittigen Federösen durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ähnlich optimal ausgenutzt wie bei symmetrisch ausgebildeten Schraubenfedern. 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.

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

In der Zeichnung zeigen die

F i g. la und Ib die Seitenansicht sowie die Draufsicht einer symmetrisch ausgebildeten, auf Zug foeanspruchten Schraubenfeder, die

F i g. 2a und 2b die Seitenansicht sowie die Draufsicht einer unsymmetrisch ausgebildeten entsprechenden Schraubenfeder,

Fig.3 eine in einer Trommelbremse eingesetzte herkömmliche unsymmetrisch ausgebildete Schraubenfeder und die

Fig.4a und 4b die Seitenansicht einer gemäß der Erfindung ausgestalteten, unsymmetrisch ausgebildeten Schraubenfeder vor dem Einbau und nach dem Einbau.
bo In den F i g. 1 und 2 ist jeweils nur ein Teil einer auf Zug beanspruchten Schraubenfeder dargestellt, deren Federösen 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 diesem greift die mit P_F bezeichnete Federkraft an. Die in F i g. 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 hegt Die einzelnen Windungen der Schraubenfeder werden hierbei an jeder Stelle ihres Umganges mit einem Moment der Größe

M_B = P₁ ~

Mb = Pf D_m

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beaufschlagt

Andere Beanspruchungsverhältnisse liegen bei der in F i g. 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 F i g. 2a und 2b zu entnehmen ist, ist die Wirkrichtung der an der Federöse 1 angreifenden Federkraft Pf in diesem Ausführungsbeispiel um den halben Windungsdurchmesser D_n, gegen die Federlängsachse versetzt. Es ist leicht erkennbar, daß daher entlang dem Windungsumfang in diesem Falle durch die Federkraft Pf unterschiedlich große Biegemomente hervorgerufen werden. So ist in dem in Fig.2a mit 6 bezeichneten Bereich der Federwindungen wegen des fehlenden Hebelarmes kein Biegemoment wirksam, wogegen in dem mit 7 bezeichneten Federwindungsbereich ein Biegemoment

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wirksam ist, welches also doppelt so groß wie das der in F i g. 1 gezeigten symmetrisch belasteten Schraubenfeder ist Ohne besondere Vorkehrungen würde eine auf Zug belastete Schraubenfeder der in F i g. 2 gezeigten Art bei Belastung seitlich auswandern. Um dies zu verhindern, ist ein senkrecht zur Federlängsachse wirkender Anschlag 3 in Form eines durch den Federkörper 2 hindurchgeführten Bolzens vorgesehen, durch welchen die räumliche Lage des Federkörpers fixiert ist

Fig.3 zeigt eine in eine Kraftfahrzeug-Trommelbremse als Rückzugfeder eingebaute Schraubenfeder der in F i g. 2 gezeigten Art. Die beiden Federösen 1 sind hierbei in in den Bremsbacken 4 befindliche Einhängeöffnungen 5 eingehängt. Als den Federkörper 2 räumlich fixierender Anschlag dient die durch den Federkörper 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 Federwindungen ist deutlich unterschiedlich.

Bei den in den F i g. 2 und 3 gezeigten herkömmlichen unsymmetrisch ausgebildeten Schraubenfedern behielten die Federösen 1 — bezogen auf die Federlängsachse — ihre im nichteingebauten Zustand eingenommene Stellung auch im eingebauten Zustand bei. In den gezeigten Beispielen verliefen die Federösen vor und nach dem Einbau zumindest annähernd parallel zur Federachse.

Gemäß der Erfindung sind die Federösen 1 einer Schraubenfeder mit außermittig angeordneten Federösen nun so ausgebildet, daß sie — bezogen auf die Federlängsachse — bei nichteingebauter Feder eine andere Neigung aufweisen als bei eingebauter Feder. In dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel — diese Figuren zeigen die Seitenansicht einer Schraubenfeder mit außermittig angreifenden Federösen, die Draufsicht entspricht der der Fig.2b — sind die Federösen 1 im nichteingebauten, unbelasteten Zustand zur Feuerlängsachse hin abgebogen. Man erkennt, daß in der durch den Einbau erzwungenen Lage, wie sie in Fig.4b dargestellt ist, auf den Federkörper 1 ein im linken Federbereich im Uhrzeigersinn und im rechten Federbereich entgegen dem Uhrzeigersinn wirkendes Biegemoment der Größe M-Pl einwirkt Mit P ist dabei die auf die Federöse einwirkende Querkraft und mit / der Abstand der Federösen-Innenkante vom Federkörper 2 bezeichnet Man erkennt daß sich dieses durch die Abbiegung der Federösen erzwungene Biegemoment M dem zuvor erwähnten, durch die an den Federösen 1 angreifende Federkraft Pf erzeugten Biegemoment Mb überlagert, und zwar derart daß das resultierende Biegemoment im mit 7 bezifferten Windungsbereich wegen der einander entgegenwirkenden Drehmomente abnimmt und im mit 6 bezifferten Bereich der Federwindungen zunimmt

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

M₁, = P, ~ = M = Pl,

P -

- P₁- -

D_1n

Die Drehrichtung des aufgebrachten Momentes ist dabei besonders zu beachten. Mit zunehmender Federösenlänge / 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 /i (siehe F i g. 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

/1 =

3El

P.

Mit dem oben angegebenen Wert für P ergibt sich daraus

·" 6EI "

Darin bedeuten P_n, den mittleren Windungsdurchmesser, / den Abstand der Federösen-Innenkante vom Federkörper 2, Pf die Federkraft der Schraubenfeder, E das Elastizitätsmodul und / das Trägheitsmoment der Schraubenfeder. Die Neigungsdiffarenz der Federösen 1 zwischen nichteingebautem und eingebautem Zustand beträgt somit

tan λ =

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 Fig.3 und 4b zeigt, treten Verwerfungen (unterschiedliche Steigungen der einzelnen Federwindungen), wie sie bei unsymmetrisch belasteten Schraubenfedern herkömmlicher Art auftreten, bei Anwendung der vorgeschlagenen Maßnahmen nicht mehr auf.

Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, bei welchem der gestreckte Teil der Federösen im nichteingebauten Zustand schräg zu Federlängsachse geneigt ist und im eingebaute Zustand parallel zur Federachse verläuft. Es verste sich, daß der angestrebte Effekt auch mit von dei Ausführungsbeispiel abweichenden Anordnungen e zielt werden kann. Beispielsweise wäre es denkbar, di Federösen einer Schraubenfeder so auszubilden, daß si im nichteingebauten Zustand etwa parallel zur Fedei längsachse verlaufen und im eingebauten Zustan zwangsweise schräg nach oben laufen. Entscheidend is daß die zuvor erwähnte Neigungsdifferenz der Fedei ösen erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Auf Zug beanspruchte Schraubenfeder mit außermittig angeordneten Federösen, bei der zumindest die beiden äußersten Windungen eine senkrecht zur Federlängsachse wirkende Führung aufweisen, durch welche die räumliche Lage des Federkörpers fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungsdifferenz der — bezogen auf die Federlängsachse — in an sich bekannter Weise im nicht eingebauten Zustand eine andere Neigung als im eingebauten Zustand aufweisenden Federösen (1) zumindest annähernd den Wert