DE2619123C3

DE2619123C3 - Auf Zug beanspruchte Schraubenfeder

Info

Publication number: DE2619123C3
Application number: DE2619123A
Authority: DE
Inventors: Kurt 3180 Wolfsburg Rupprecht
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1976-05-03
Filing date: 1976-05-03
Publication date: 1979-03-22
Also published as: DE2619123A1; GB1580410A; DE2619123B2; US4088311A

Description

tana = -^- =

DJPf 6EI

besitzt, wobei D₁₇₁ den mittleren Windungsdurchmesser, J den Abstand zwischen Federkörper (2) und Fede^öseninnenkante und Pf 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 beansp-uchte Schraubenfedern sind in der Regel mit mittig, das heißt in dpr Federlängsachse engeordneten 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 Platzgrflnden, 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 unsymmetri-(chen Schraubenfedern beispielsweise in Kraftfahrteug-Trommelbremsen als Rückzugfedern.

Wie man in der Zeichnung aus den F i g. 1 a, I b 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 tweiten 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 Üegemoment wirksam ist Und die Schraubenfeder Itiäterialmäßig Häher auch gleichmäßig beansprucht wird, ist die materiaimäßige Beanspruchung der Feder fen zweiten Fälle in den einzelnen Bereichen der Federwindungeri unterschiedlich groß In den einzelnen •ereichen sind nämlich UnterschiedÜcn große Biegemo* mente 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 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 2Ci kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst

Zur Lösung der Aufgabe wird also eine Schraubenfeder mit schräggesteilten 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 i973), 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 j5 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 aufweiseu, ^;st 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

Fig. la und Ib die Seitenansicht sowie die Draufsicht einer symmetrisch ausgebildeten, auf Zug beanspruchten Schraubenfeder, die

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

F'g. 3 eine η einer Trommelbremse eingesetzte herkömmliche unsymmetrisch ausgebildete Schrauben feder und die

Fig.4a und ^Jb die Seitenansicht einer gemäß der Erfindung ausgestalteten, unsymmetrisch ausgebildeten Schraubenfeder vor dem F.inbau und nach dem Einbau. In den F ι g. 1 und 2 ist jeweils nur ein Teil einer auf Zug beanspruchten Schraubenfeder dargestellt, deren Feder^sen mit 1 und deren Federkörper mit 2 beziffert sind. Die Federösen I bestehen aus einem gestreckten Teil 11 und einem in das zu beaufschlagende Bauelement einzuhängenden gebogenen Teil 12. An diesem greift die mit Pf bezeichnete Federkraft afc Die in Fig. I dargestellte symmetrisch ausgebildete Sehr au* benfeder ist in Richtung der Federlänßsachse 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 Umfanges mit einem Moment der Größe

Mb = Pf 4"

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 Fig.2a und 2b zu entnehmen ist, ist die Wirkrichtung der an der Federöse 1 angreifenden Federkraft P_F in diesem Ausführungsbeispiel um den halben Windungsdurchmesser D_m gegen die Federlängsachse versetzt Es ist leicht erkennbar, daß daher entlang dem Windungsumfang in diesem Falle durch die Federkraft P_F 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

Λ/β= P_F D_n,

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. LJm 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.

F i g. 3 zeigt eine in eine Kraftfahrzeug-Trommelbremse als Rückzugfeder eingebaute Schraubenfeder der in F ι g. 2 gezeigten Art Die beiden Federösen 1 sind hierbei in in den Bremsbacken 4 befindliche Eiimängeöffnungen 5 eingehängt Als den Federkörper 2 räumlich fixierender Anschlag dient die durch den Federkörper hindurchgeführte Druckstange der Trommelbremse. Eine solche Schraubenfederaiiordnung 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. 1 und 3 gezeigten herkömmlichen unsymmetrisch ausgebildeten Schraubenfedern behielten die Federösen 1 — bezogen auf die Federlängsachse — ihre im nictneiiigebauten 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 einef Schraubenfeder mit außermittig angeordneten Federösen nun so ausgebildet, daß sie — bezogen auf die Federlängsachse — bei nichteingebauter Feder eine •ridere Neigung aufweisen als bei eingebauter Feder. In dem in Fig.4 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel — diese Figuren zeigen die Seitenansicht einer Schraubenfeder mit außermittig angreifenden Federösen, die Draufsicht einspricht der der Fig.2b — sind die Federösen 1 im nichteingebauten, unbelasteten Zustand zur Federlängsachse hin abgebogen. Man erkennt, daß in der durch den Einbau erzwungenen Lage, wie sie in F i g. 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 nichttingebauten 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

M₁₁ =- P_F

D_n,

P =

M₀

= M = Pl.

2/

Die Drehrichtung des aufgebrachten Momentes ist dabei besonders zu beachten. Mit zunehmender Federösenlänge / wird die erforderliche Querkraft P kleiner und damit auch die Aufbiegebeanspruehung der ersten und letzten Windung, an denen sich die Gegenkraft zu P abstützt. Um die erfoi derlithe Querkraft P zu erzielen, müssen die Federösen um den Betrag /i (siehe F i g. 4a) gegen die Einbaulage versetzt angeoidnet sein. Dieser Betrag ergibt sich nach den allgemeinen Regeln der Mechanik für einen einseitig

π eingespannten Träger gleichen Querschnitts zu

'■ = L ^P

so Mit dem oben angegebenen Wert fur P ergibt sich daraus

DJ' '* - 6£/ ^Pl

Darin bedeuten D_n, den mittleren Windungsdurchmesser, /den Abstand der Federösen-Innenkan*e vom Federkörper 2, P_F die Federkraft der Schraubenfeder, E das Elastizitätsmodul und / das Trägheitsmoment der en Schraubenfeder. Die Neigungsdifferenz der Federösen 1 zwischen nichteingeuautem und eingebautem Zustand beträgt somit

t._inft tan« -

Durch die getroffenen Maßnahmen wird die mit außermittig angeordneten Ffederösen 1 versehene Schraubenfeder materialmäßig annähernd so belastet

wie eine symmetrisch belastete Schraubenfeder. Ledig* lieh 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 Figi3 und 4b zeigte 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 zur Federlängsachsc 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 deckbar, 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.

I-Iicizu I Blatt Zeichnungen

Claims

E 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