DE3006161A1

DE3006161A1 - Schraubenfeder

Info

Publication number: DE3006161A1
Application number: DE19803006161
Authority: DE
Inventors: Michel Alexandre Orain; Roger Pierre Thiault
Original assignee: Glaenzer Spicer SA
Current assignee: Glaenzer Spicer SA
Priority date: 1979-02-19
Filing date: 1980-02-19
Publication date: 1980-08-21
Also published as: US4365791A; IT8067247A0; GB2043204A; ES488718A1; DE3006161C2; IT1128370B; BR8000969A; GB2043204B; SU955875A3; FR2449235A1; JPS55112435A; FR2449235B1

Description

Patentanwälte _ ?

Ουρί.»Ing. E. TzcJer
D!pl.-lng, IC Schlscchka

8 Mündisn 40, Elisä-- c iiiitrsßc 34

GLAENZER SPICER

F-78301 Poissy/Frankreich

Schraubenfeder

Die Erfindung bezieht sich auf eine zwischen zwei benachbarten Bauteilen frei anzuordnende Schraubenfeder mit möglichst geringem axialem und radialem Platzbedarf.

Derartige Federn mit nur geringem axialem und radialem Platzbedarf dienen besonderen Anwendungszwecken und werden insbesondere in homokinetischen Gelenken nach Tripod-Bauart zur Belastung der drehbar und gleitend auf Zapfen gelagerten RoIlkörper eingesetzt. Der Gleitweg der Rollkörper beträgt ca. 1 mm, wobei jedoch eine verhältnismäßig große Kraft erforderlich ist, um den Rollkörper wieder nach außen zu «,rücken, um bei unbelastetem Gelenk den Spielraum auszugleichen. Diese Druckkraft muß außerdem während der gesamten Gleitbewegung des Rollkörpers im wesentlichen konstant bleiben. Mit den bisher bekannten Federn konnte diese Aufgabe nicht befriedigend erfüllt werden. Insbesondere mit federnden Unterlegscheiben aus Elastomer läßt sich keine während der gesamten Gleitbewegung des Rollkörpers konstant bleibende Kraft aufbringen, abgesehen davon, daß sie nur beschränkte Lebensdauer besitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feder zu schaffen, die bei sehr geringem axialem und radialem Platzbedarf gegenüber bekannten Federn eine konstante und höhere Rückstell-

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kraft bei hoher Lebensdauer besitzt und in allen Lagen eine gute Zentrierung des zugehörigen Bauteils gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Schraubenfeder vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus einer einzigen Windung besteht, deren maximale Auslenkung die axiale Drahtdicke um ein Vielfaches übersteigt und daß ihre axiale Abmessung in belastetem zusammengepreßtem Zustand dieser Dicke entspricht.

Nach einer Ausgestaltung beschreibt die Windung einen etwas kleineren Winkel als 360°.

Nach einer abgewandelten Ausführung beschreibt die Windung einen 360° übersteigenden Winkel zwischen 420° und 540°, wobei dann die sich überlagernden Federabschnitte eine in Richtung der freien Federenden allmählich abnehmende Dicke besitzen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten AusfUhrungsbeispiele näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Ausführungsform der Feder un unbelastetem Zustand;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Feder nach Fig. 1; Fig. 3 eine Draufsicht;

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht der Feder in eingebauter Arbeitsstellung;

Fig. 5 im Querschnitt eine mit einem homokinetischen Gelenk nach Tripod-Bauart zusammenwirkende Feder;

Fig. 6 im vergrößerten Maßstab eine besondere Ausbildung der freien Federenden;

Fig. 7

und 8 jeweils einen Schnitt nach Linie 7-7 und 8-8 in Fig. 6;

Fig. 9 die spateiförmige Ausbildung der Federenden nach Fig. 6-8;

Fig. 10 eine weitere Abwandlung der Federenden;

Fig. 11 die Auflagefläche dieser weiteren Abwandlung, analog Fig. 9;

Fig. 12 eine Feder mit Recht^eckquerschnitt;

Fig. 13 eine Seitenansicht einer unbelasteten Feder nach einer dritten AusfUhrungsform;

Fig. 14 eine Draufsicht auf diese Ausführungsform; Fig. 15 die Feder nach Fig. 13 in belastetem Zustand;

Fig. 16

und 17 jeweils einen Schnitt nach Linie 16-16 und 17-17 in Fig. 15;

Fig. 18

und 19 jeweils eine Fertigungsstufe der Feder nach

Fig. 13 bis 17.

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Die Schraubenfeder 10 nach Fig. 1 bis 3 besteht aus einer einzigen Windung eines Stahldrahts mit Rundquerschnitt. Diese von oben kreisförmige Windung beschreibt einen etwas kleineren Winkel als 360° (sh. Fig. 1 und 3)und ist mit leicht gekrümmten, die Windungshöhe der unbelasteten Feder verringernden freien Enden 11 und 12 ausgebildet. Diese Krümmung der Enden verhindert, daß die Feder die benachbarten Bauteile mit den Endkanten ihrer Windung beaufschlagt.

überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die zwischen zwei benachbarten Bauteilen in Arbeitsstellung frei angeordnete Feder jede der beiden, sie belastenden Flächen P, und P„ in je zwei Punkten beaufschlagt. Das heißt, ihre Federkraft wirkt auf jede Fläche an je zwei Punkten ihres Umfanges ein.

Diese Besonderheit wird durch das nachstehende praktische Ausführungsbeispiel verdeutlicht:

Federmerkmale:

- Drahtdurchmesser: D = 1,8 mm

- mittlerer Windungsradius: r = 12,5 mm

Gesamtauslenkung 13,635 mm bei einer Belastung

2 von 100 kg/mm

- Auslenkung zwischen beiden Endstellungen: 1 mm

- Höhe der Schraubenlinie

in Arbeitsstellung: ρ = 1,083 mm

Zwischen den beiden Anlageflächen P, und P₂ nimmt die Feder die in Fig. 4 schematisch dargestellte Lage ein, wobei ihre Achse OZ zu einer Senkrechten OV zu den Flächen P^, P₂ um einen Winkel £ geneigt ist, z.B. tg£ = 0,0287. Die Schraubenliniensteigung ergibt sich durch tg{J = + 0,0137 (es wird davon ausgegangen, daß die Feder in mittlerer Arbeitsstellung ihre nahezu maximale Zusammenpressung erreicht hat).

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Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich, daß die an den Berührungspunkten ji, b_ und c^, el· der Feder mit den Flächen P, und P angreifenden Kräfte zur Achse OY symmetrisch verteilt

sind und die die Lage dieser Punkte zur Achse OY bezeichnenden Winkel OC und ß.jeweils 13 und 118,4° betragen.

Die die Flächen P^, P₂ entgegengesetzt belastende Federkraft verteilt sich wie folgt:

- in _a und _d: F₁ = 9,160 kg in Ib und c.: F„ = 2,340 kg

Vorzugsweise beträgt die Höhe einer solchen Feder im unbelasteten Zustand das 6- bzw. 10-fache ihrer axialen Dicke, in zusammengepreßtem Zustand. Mit dieser FEder lassen sich folgende angestrebten Merkmale zufriedenstellend erzielen:

die maximale Auslenkung liegt weit über ihrem Federweg in Arbeitsstellung, wobei die ausgeübte Federkraft über ihren gesamten Federweg praktisch konstant bleibt;

- die in zusammengepreßtem, belastetem Zustand gespeicherte Federkraft ist im Verhältnis zum radialen und axialen Platzbedarf sehr hoch;

dank der Beaufschlagung der zugehörigen Bauteile in vier Punkten wird die Federkraft gut verteilt;

die Federkennlinien unterliegen praktisch während der gesamten Lebensdauer der Feder keinerlei Veränderungen.

Fig. 5 zeigt eine solche Feder 10 in einem praktischen Anwendungsbeispiel in Anlage zwischen einer Schulter 12 eines Tripod· Zapfens 13 und der zugehörigen Endfläche 14 eines auf dem Zapfen drehbar und gleitend gelagerten Rollkörpers 15. Wie ersichtlich, ist die Feder über ihre gesamte Länge zentrisch zum Zapfen angeordnet, und zwar unabhängig von ihrer jeweiligen Belastung, im Gegensatz zu den Erfahrungen, die man mit £>e-

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kannten Anordnungen gemacht hat. Auch hierin liegt ein wesentlicher Vorteil.

Fig. 6 bis 9 zeigen eine besondere AusfUhrungsform der Enden dieser Feder. Jedes Ende 21 ist spateiförmig abgeflacht, und, wie aus den Zeichnungen ersichtlich, mit einer konvexen, z.B. zylindrischen Krümmung an der das zugehörige Bauteil 23 beaufschlagenden Fläche 22 ausgebildet. Die Mantellinien der zylindrischen Fläche verlaufen im wesentlichen rechtwinklig zur Mittellinie der Feder.

Bei der in Fig. 10 und 11 gezeigten Variante wird diese zylindrische Anlagefläche 22a durch Schleifen hergestellt.

Die Feder kann entweder aus Draht mit Rundquerschnitt, wie vorstehend beschrieben, hergestellt werden, oder aus einem Draht mit Rechteckquerschnitt oder dgl., wie Fig. 12 zeigt, vorausgesetzt, daß ausreichend Platz in radialer Richtung gegeben ist. Damit läßt sich der axiale Platzbedarf reduzieren oder die von der Feder in axialer Richtung erzeugte Kraft erhöhen, z.B. durch entsprechende Vorspannung des Werkstoffs. Auch hier sind die Enden der Windung 30 umgebogen, um eine Kantenanlage an den zugehörigen Flächen der zu beaufschlagenden Bauteile zu verhindern. Dadurch erhöht sich außerdem der eingangs bezeichnete WinkelO^.

Nach einer weiteren Ausführungsform kann die beschriebene Einzelwindung einen 360° übersteigenden Winkel beschreiben, der z.B. zwischen 420 und 540° beträgt. Die Feder 40 ist in diesem Fall zu ihren Enden 41 hin flacher ausgebildet, (Fig. 13 und 15), wobei sie einen im wesentlichen konstanten Querschnitt bewahrt, (sh. Fig. 14, 16 und 17). Diese Abflachung wird so ausgebildet, daß die axiale Abmessung der Feder in belastetem Zustand (Fig. 15) der axialen Abmessung ihres mittleren Querschnitts entspricht. Bei einer aus Draht mit Rundquerschnitt bestehenden Feder entspricht die axiale Abmessung dem Drahtdurchmesser. Bei dieser Ausführungsform sind die An-

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lageflächen 42 zur Stabilisierungcfer Feder verhältnismäßig breit ausgebildet und gewährleisten ein verschleißiVeies Dreh-Gleit-Vermögen bei Belastung. Im übrigen besitzen die Enden dieser Feder eine erhöhte Biegsamkeit und Festigkeit und verleihen dieser Feder eine höchste Belastbarkeit.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Zentrierung innen, d.h. die Umhüllende der Innenfläche 43 der Feder ist zylindrisch. Diese Zentrierung kann natürlich auch auf der Außenseite erfolgen.

Fig. 18 und 19 veranschaulichen schematisch ein Fertigungsverfahren für eine solche Feder: Ausgehend von einer auf übliche WEise hergestellten Feder mit anliegenden Windungen und einem den Solldurchmesser der herzustellenden Feder um ca. 25 % übersteigenden Windungsdurchmesser werden Rohlinge 50 mit einer Einzelwindung zugeschnitten, deren Krümmung an den freien Enden 51 (Fig. 18) eingezogen wird. Diese Windung wird dann zwischen zwei Platten 52, 53, die je nach Drahtdurchmesser und Windungsdurchmesser in einem Winkel von 3 - 10 % zueinander angestellt sind, durch Pressung abgeflacht, so daß die Dicke der Enden ca. 20 - 40 % des Drahtdurchmessers beträgt (Fig. 19).

Durch dieses Abflachen erhalten die vorher eingezogenen gekrümmten Windungsenden längs ihrer Innenränder wieder ihre gleichmäßige Krümmung. Im letzten Fertigungsgang wird dann die Windung spiralförmig auf einen Stag mit kleinerem Durchmesser aufgewickelt, der so bemessen ist, daß nach erfolgter Rückfederung Innatiurchmesser und Höhe der Feder in unbelastetem Zustand die gewünschten Maße besitzen. Abschließend wird die fertige Feder gehärtet.

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Claims

Patentanwälte DIpI.-Ing. E. Ector Dip).-!--. K. «^!«c

Mö.v ·.'. :\V ;■

GLAENZER SPICER

F-783Q1 Poissy/Frankreich

Schraubenfeder

Patentansprüche

Zwischen zwei benachbarten Bauteilen frei anzuordnende Schraubenfeder aus Draht mit geringem axialem und radialem Platzbedarf, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer einzigen Windung besteht, deren maximale Auslenkung die axiale Drahtdicke um ein Vielfaches übersteigt und daß ihre axiale Abmessung in belastetem, zusammengepreßtem Zustand dieser Dicke entspricht.
2. Schraubenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windung einen etwas kleineren Winkel als 360° beschreibt.
3. Schraubenfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (10) mit gekrümmten, ihre Windungshöhe in unbelastetem Zustand verringernden freien Enden (11) ausgebildet ist.
4. Schraubenfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Bereich ihrer freien Enden (21) abgeflacht ist

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und die das zugehörige Bauteil beaufschlagende Fläche leicht konvex ausgebildet ist, z.B. zylindrisch mit zur Mittellinie der Feder rechtwinklig verlaufenden Erzeugenden.
5. Schraubenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windung einen größeren Winkel als 360° beschreibt und daß die sich überlagernden Federabschnitte eine in Richtung der freien Federenden allmählich abnehmende Dicke besitzen.
6. Schraubenfeder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die W
schreibt.

daß die Windung einen Winkel zwischen 420 und 540° be-
7. Schraubenfeder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windung einen im wesentlichen konstanten Querschnitt besitzt.
8. Schraubenfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Höhe in unbelastetem Zustand ca. ein 6- oder 8-faches ihrer belasteten Dicke ausmacht.
9. Anordnung einer Feder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem homokinetischen Gelenk zwischen einer Schulter eines Lagerzapfens und einem Rollkörper frei einsetzbar ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder jede der beiden sie belastenden Flächen in jeweils zwei Punkten beaufschlagt.

Patenti DIpI.-I

Wpl.-.'r-

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