DE2638249B2

DE2638249B2 - Nichtzylindrische, gewundene Druckfeder aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt, insbesondere zur Anwendung bei Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE2638249B2
Application number: DE19762638249
Authority: DE
Inventors: Artur 5270 Gummersbach Borlinghaus
Original assignee: Gebr Ahle 5253 Lindlar
Current assignee: Gebr Ahle 5253 Lindlar
Priority date: 1976-08-25
Filing date: 1976-08-25
Publication date: 1979-07-05
Also published as: SE7709473L; BR7705630A; FR2363031B2; GB1534500A; IT1117835B; DE2638249A1; SE428493B; AR211212A1; FR2363031A2

Description

Die Erfindung betrifft eine nichtzylindrische, gewundene Druckfeder aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt, insbesondere zur Anwendung bei Kraftfahrzeugen, die eine teilweise progressiv verlaufende Kennlinie besitzt und aus mindestens zwei einstückig miteinander verbundenen Abschnitten besteht, von denen einer als kegelstumpfförmiger Abschnitt ausgebildet ist, an den sich ein zylinderförmiger oder ein weiterer kegelstumpfförmiger Abschnitt so anschließt, daß die Windungen mit größtem Windungsdurchmesser jeweils an einem Ende bzw. beiden Enden der Feder liegen, wobei der zylinderförmige Abschnitt eine konstante und jeder kegelstumpfförmige Abschnitt eine inkonstante Drahtdicke aufweist, und bei der bei Höchstbelastung die Windunger jedes kegelstumpfförmigen Abschnittes in Form einer Spirale ineinanderliegen.

Es sind bereits zylindrische Schraubendruckfedern mit teilweise progressiv verlaufenden Kennlinien und optimaler Werkstoffausnutzung bekannt Die optimale Werkstoffausnutzung wird dadurch erreicht, daß die Federn eine inkonstante Drahtdicke besitzen, die eine konstante Werkstoffbeanspruchung in allen Windungen ermöglicht

Ein Nachteil der zylindrischen Schraubendruckfeder besteht darin, daß die Windungen, die zur Erveichung einer progressiven Kennlinie ausgeschaltet werden müssen, sich aufeinanderlegen und infolgedessen Geräusche verursachen- Zur Vermeidung der Geräusche werden oft Kunststoffschläuche fiber die sich aufeinanderlegenden Windungen geschoben, wodurch allerdings die Kosten der Federn erhöht werden. Ein weiterer Nachteil der eben genannten zylindrischen Schraubendruckfedern ist darin zu sehen, daß das Verhältnis der größten zur kleinsten Drahtdicke ziemlich groß ist, wie weiter unten noch ausführlicher gezeigt wird, »odurch sich die Fertigungskosten erhöhen, und zwar sowohl bei spanloser Reduzierung der Drahtdicke als auch bei spanabhebender Verfahren, wie Ziehdrehen oder Schälen.

Es sind weiterhin Kegel- und Doppelkegelstumpffed?rn mit teilweise progressiv verlaufender Kennlinie bekannt, bei denen die Windungen, die wegen der progressiven Kennlinie ausgeschaltet werden müssen, sich bei zunehmender Belastung spiralförmig ineinanderlegen, ohne sich zu berühren (s. zum Beispiel DE-OS 20 00 472). Bei diesen Federn entstehen also keine Geräusche. Ein schwerwiegender Nachteil derartiger Kegel- und Doppelkegelstumpffedern besteht aber darin, daß das Verhältnis der größten zur kleinsten Drahtdicke noch größer ist als bei zylindrischen Federn, wie weiter unten genauer gezeigt wird.

Ein gemeinsamer Nachteil aller bisher aus Draht gewickelten Schraut «ndruckfedern besteht darin, daß der Druckmittelpunkt der Feder nicht mit dem geometrischen Mittelpunkt der Feder zusammenfällt, sondern außerhalb des geometrischen Mittelpunktes liegt Dies hat zur Folge, daß diese Federn bei Belastung auf die Unterlage ein Drehmoment ausüben, dessen

Größe durch den jeweiligen Abstand der beiden

obengenannten Punkte bestimmt ist

Bei der zylindrischen Schraubendruckfeder ist der

wirksame Windungsdurchmesser, der seinen Druck auf die Unterlage überträgt konstant Dies hat zur Folge, daß auch der Abstand des Druckmittelpunktes vom geometrischen Mittelpunkt Lm wer>ntlichen konstant bleibt Bei einer Kegel- oder Doppelkegelstumpffeder mit progressiver Kennlinie verändert sich jedoch dieser Durchmesser, und zwar wächst er mit wachsender Belastung. Dies hat zur Folge, daß der Druckmittelpunkt mit wachsender Last nach außen wandert, d.h. vom geometrischen Mittelpunkt weg. Der Abstand der beiden Punkte wird also mit wachsender Belastung größer, und demzufolge steigt das auf die Unterlage ausgeübte Drehmoment stark an.

Ein weiterer Nachteil der Kegel- oder Doppelkegelstumpffeder ist darin zu sehen, daß sie bei gleichem Kennlinienverlauf einen gegenüber der zylindrischen Feder größeren Außendurchmesser aufweist der die Anwendung solcher Federn in vorhandenen Konstruktionen nicht zuläßt Doppelkegelstumpffedern haben zudem herstellungstechnische Nachteile, da sie nicht ohne weiteres auf einen Dorn gewickelt werden können. Schließlich sind Druckfedern, die sich aus einem zylindrischen Teil und ein oder zwei kegelstumpfförmigen Teilen zusammensetzen, grundsätzlich bereits bekannt(s. ATZ 76 (1974), Seite 385 bis 390).

Diese bekannten Druckfedern werden zunächst nur für linearen Kennlinienverlauf empfohlen, während bezüglich der Federn dieser Bauart mit progressivem Kennlinienverlauf zusätzliche Nachteile angegeben werden und daher von ihrer Verwendung im Kraftfahrzeugbau abgeraten wird

Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine nichtzylindrische, gewundene Druckfeder der obenerwähnten Bauart überraschenderweise eine

Reihe beträchtlicher Vorteile gegenüber den weiter oben erwähnten bekannten Federn anderer Bauart aufweisen kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine in Rede stehende, in ihren Einbauabmessungen den Abmessungen einer zylindrischen Schraubendruckfeder mit gleicher Kennlinie entsprechende Schraubendnjckfeder derart zu .gestalten, daß sie ein verbessertes ICnickverhalten aufweist

Bei einem älteren Vorschlag (s. DE-AS 25 06 420) wird davon ausgegangen-, daß bei jedem kegelstumpfförmigen Abschnitt der oben erwähnten Feder die Drahtdicke von einem Wert der größer ist als die Drahtdicke am Ende der Windung mit kleinstem Windungsdurchmesser abnimmt bis hin zur Drahtdicke am Ende der Windung mit kleinstem Windungsdurchmesser und gemäß der dem älteren Vorschlag zugrunde liegenden Erfindung soll die Drahtdicke jedes kegelstumpfförmigen Abschnittes von seinem freien Ende her mindestens auf einem Teil der Windungen zunächst zunehmen bis zu dem Wert der größer ist als die Drahtdicke am Ende der Windung mit kleinstem Windungsdurchmesser. Es hat sich gezeigt, daß derartige Druckfedern ein ausgezeichnetes Knickverhalten besitzen und dabei einerseits in ihren Einbauabmessungen den Abmessungen einer zylindrischen Schraubendruckfeder mit gleicher Kennlinie entsprechen, andererseits aber hervorragende Eigenschaften bezüglich der Geräuschfreiheit aufweisen.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei einer Druckfeder der eingangs beschriebenen Bauart ebenfalls hervorragende Eigenschaften bezüglich Knickverhalten, Werkstoffausnutzung, Einbauabmessungen und Geräuschfreiheit erhalten werden, wenn erfindungsgemäß die Drahtdicke jedes kegelstumpfförmigen Abschnittes von seinem freien Ende her zunimmt bis zu einer maximalen Drahtdicke, die der Drahtdicke am Ende der Windung mit kleinstem Windungsdurchmesser entspricht Abweichend von der Gestaltung der Drahtdicke bei der Feder nach dem älteren Vorschlag erfolgt bei der erfindungsgemäßen Feder keine auf die Zunahme folgende Abnahme der Drahtdicke am kegelstumpfförmigen Abschnitt

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform wird bei einer Druckfeder gemäß der Erfindung mit einem kegelstumpfförmigen Abschnitt, an den sich ein zylinderförmiger Abschnitt anschließt, erhalten, wenn sich an den zylinderförmigen Abschnitt ein weiterer kegelstumpfförmiger Abschnitt so anschließt daß die Windung mit größtem Windungsdurchmesser an einem der beiden freien Enden der Feder liegt und wenn bei diesen weiteren kegelstumpfförmigen Abschnitt die Drahtdicke ebenfalls von seinem freien Ende her zunimmt bis zu einer maximalen Drahtdicke, die der Drahtdicke am Ende der Windung mit kleinstem Windungsdurchmesser entspricht

Da sich die auszuschaltenden Windungen ineinanderlegen und eine Drahtberührung nicht stattfindet, entspricht die erfindungssgemäße Feder hinsichtlich der Gerauschfreiheit in etwa der beschriebenen Kegel- öder Doppelkegelstumpffeder.

Im Unterschied zu der Kegel- oder Doppelkegelstumpffeder werden aber bei der erfindungsgemäßen Feder zuerst die Windungen mit größtem Windungsdurchmesser ausgeschaltet Dies hat zur Folge, daß bei zunehmender Belastung d τ wirksame Windungsdurchmesser, der seinen Druck auf die Unterlage übergibt, abnimmt Das bedeutet, daß der Druckmittelpunkt mit wachsender Last nach innen zum geometrischen Mittelpunkt der Feder hin wandert und das auf die Unterlage ausgeübte Drehmoment mit wachsender Belastung kleiner wird.

Der bei der erfindungsgemäßen Feder gegebenenfalls in der Mitte oder an einer Seite liegende zylindrische Teil, der die Federkräfte nach dem Ausschalten der Windungen des kegelstumpfförmigen Teils aufnimmt, knickt entgegen den allgemein für zylindrische Federn

ίο geltenden mathematischen Bedingungen (s. hierzu DIN 2089, S. 7, Abschnitt 6.2) nicht aus, weil die vor dem Punkt Pe auftretenden Kräfte auf einem größeren Windungsdurchmesser abgestützt werden, nämlich am kegelstumpfförmigen Teil der Feder an beiden Enden bzw. an einem Ende der Feder. Auf diese Welse wird es möglich, mit Längen- und Durchmesserfederwegverhältnissen zu arbeiten, die bei einer normalem zylindrischen Schraubendruckfeder zum Ausknicken führen und daher besondere Führungsmaßnahmen erforderlich machen würden.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel einer Druckfeder gemäß der Erfindung näher erläutert
F i g. 1 zeigt einen möglichen Kennlinienverlauf der erfindungsgemäßen Druckfeder.

Fig.2 zeigt in Seitenansicht eine Feder mit zwei kegelstumpfförmigen Abschnitten (Taillenfeder).
F i g. 3 zeigt die Feder nach F i g. 2 im Grundriß.
Fig.4 zeigt die Feder nach Fig.2 in einer

Seitenansicht im vollständig blockierten Zustand.

Fig.5 zeigt in gegenüber den Fig.2 bis 4 leicht vergrößerter Darstellung den Verlauf des Drahtquerschnittes bei einer Feder nach den F i g. 2 bis 4 gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 bedeutet P die wirkende Kraft und L der entsprechende Federweg. Vom Punkt P = 0 bis Punkt Pa ist der Kennlinienverlauf linear, von Pa bis Pe ist der Kennlinienverlauf progressiv ansteigend, um von P_E bis Pbi wieder linear zu werden. Innerhalb des progressiven Verlaufs der Kennlinie legen sich die Windungen des kegelstumpfförmigen Abschnittes bzw. der kegelstumpfförmigen Abschnitte sukzessive spiralförmig ineinander und an die Auflagefläche an. Wem an der Stelle Pe alle Windungen des kegelst'unpfförmigen Abschnittes ausgeschaltet sind, ist der weitere Kennlinienverlauf wieder linear, wobei ein Blockieren des zylindrischen Abschnittes der Feder in der Praxis im allgemeinen nicht erreicht wird.

Die in den Fig.2 bis 4 dargestellte Feder besitzt

so einen zylindrischen Abschnitt 1 mit konstanter Drahtdicke. An den zylindrischen Abschnitt 1 schließt sich an beiden Enden jeweils ein kegelstumpfförmiger Abschnitt 2a bzw. 2b an. Die beiden kegelstumpfförmigen Abschnitte 2a und 2b besitzen inkonstante Drahtdkke und schließen sich an den zylindrischen Abschnitt 1 so an, daß ihr kleinster Windungsdurchmesser unmittelbar an den Windungsdurchmesser des zylindrischen Abschnittes anschließt und die Windungen mit dem größten Windungsdurchmesser an den Federenden liegen und im in Fig.2 dargestellten entspannten Zustand der Feder allein auf den Auflageflächcn 3a bzw. 3b aufliegen.

Wie aus Fig.3 hervorgeht weisen die beiden Endwindungen der Fi der über einen mit AGj bezeichneten Bereich von ca. ³Λ Windung, also über den Bereich, der ständig an den Auflageflächen anliegt und an der Federarbeit nicht teilnimmt, konstante Drahtdicke auf.
In Fig.4 ist die Feder nach Fig.2 im völlig

blockierten Zustand dargestellt. Dabei liegen die Windungen der beiden kegelstumpfförmigen Abschnitte 2a und Ib spiralförmig ineinander und die Windungen des zylindrischen Abschnitts I aufeinander. Beim Zusammendrücken der Feder legen sich zunächst die Windungen der kegelstumpfförmigen Abschnitte 2a und 2b mit wachsender Belastung an die Auflageflächen 3a bzw. 3b an. Erst wenn die Windungen des kegelstumpfförmigen Abschnitts vollständig an den Auflageflächen anliegen, kommt es bei weiterer Erhöhung der Belastung zum Blockieren der Windungen des zylindrischen Abschnitts I.

In F i g. 5 ist die Feder im ungewickelten Zustand dargestellt zur Verdeutlichung des Verlaufs der Drahtdicke. Jeder der beiden kegelstumpfförmigen Abschnitte 2a und 2b der Feder beginnt am äußeren Ende mit einem Abschnitt Ko der Länge l\ mit konstanter Dranidicke. Seine Länge entspricht, wie schon erwähnt, etwa einer ³A Windung der fertigen Feder. Es folgt dann von außen nach innen ein Abschnitt der Länge h, in dem die Drahtdicke vom Durchmesser d\ auf den Durchmesser di ansteigt. Daran anschließend folgt in der Mitte des dargestellten Stabes ein Abschnitt der Länge h mit konstanter Drahtdicke d₂.

Es wird eigens darauf hingewiesen, daß der Punkt, an dem die max. Drahtdicke d? erreicht ist, also der Übergang des Abschnittes h zum Abschnitt /j nicht notwendig dem Punkt entspricht, an dem der kegelstumpfförmige Abschnitt der Feder in den zylinderförmigen Abschnitt übergeht. Vielmehr kann die max. Dicke auch bereits vor der Übergangsstelle zwischen dem kegelstumpfförmigen Abschnitt und dem zylinderförmigen Abschnitt erreicht sein, etwa bei der strichpunktiert angedeuteten Stelle ZK.

Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß bei einer Ausführungsform der Druckfeder gemäß der Erfindung mit zwei kegelstumpfförmigen Abschnitten die Abmessungen und liei Vcilaui dci Diähidickc bei den beiden kegelstumpfförmigen Abschnitten nicht notwendig gleich sein müssen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nichtzylindrische, gewundene Druckfeder aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt, insbeondere zur Anwendung bei Kraftfahrzeugen, die eine teilweise progressiv verlaufende Kennlinie besitzt und aus mindestens zwei einstückig miteinander verbundenen Abschnitten besteht, von denen einer als kegelstumpfförmiger Abschnitt ausgebildet ist, an den sich ein zylinderförmiger oder ein weiterer kegelstumpfförmiger Abschnitt so anschließt, daß die Windungen mit größtem Windungsdurchmesser jeweils an einem Ende bzw. beiden Enden der Feder liegen, wobei der zylinderförmige Abschnitt eine konstante und jeder kegelstumpfförmige Abschnitt eine inkonstante Drahtdicke aufweist und bei der bei Höchstbelastung die Windungen jedes kegelstumpfförmigen Abschnittes in Form einer Spirale ineinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtdie&e jedes kegelstunspfförmigen Abschnittes (2a, 2b) von seinem freien Ende her zunimmt bis zu einer maximale Drahtdicke (ck), die der Drahtdicke am Ende der Windung mit kleinstem Windungsdurchmesser entspricht

2. Druckfeder nach Anspruch 1 mit einem kegelstumpfförmigen Abschnitt, an den sich ein zylinderförmiger Abschnitt anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den zylinderförmigen Abschnitt (1) ein weiterer kegelstumpfförmiger Abschnitt {2b) to anschließt, daß die Windung mit größtem Windungsdurchmesser an einem der freien Enden der Feder liegt und daß oei diesem weiteren kegelstumpfförmigen Abschnitt die Drahtdicke ebenfalls von seinem freien Ende i.er zunimmt bis zu einer maximalen Drahtdicke (di), die der Drahtdicke am Ende der Windung mit kleinstem Windungsdurchmesser entspricht