DE4013773A1 - Federsystem zur kraft- oder energiespeicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Federsysteme, bei welchen durch die elastische Verformung von Federwerkstoffen von außen eingeleitete mechanische Kräfte bzw. von außen eingeleitete mechanische Energiemengen aufgenommen und in der Regel - nach Abzweigung von beabsichtigt oder unbeabsichtigt herbeigeführten Energieverlusten - auch wieder als Nutzkräfte bzw. Nutzenergiemengen abgegeben werden.

Die wieder abgegebene Energiemenge wird dabei bis zu ihrer Abgabe im Federsystem gespeichert. Insofern können die Federsysteme auch als Energiespeicher angesehen werden. Mit Rücksicht auf die Tatsache, daß die Energiemengen in bestimmten Zeitgrößen angenommen und abgegeben werden, kann auch der Begriff der Eingangsleistung bzw. der Ausgangsleistung zur Beschreibung der Wirkungsweise des Federsystems herangezogen werden.

Zu einem Federsystem können außer den Federelementen, welche durch ihre elastische Verformung die eigentliche Energiespeicherung vornehmen, noch andere Funktionsträger zugerechnet werden, wie z.B.

• - Übertragungsmittel zur Übertragung der äußeren Kräfte bzw. Energiemengen in das Federsystem hinein oder aus dem Federsystem heraus.
• - Energiewandlungsmittel zur Umwandlung der aufgenommenen oder abgegebenen Energiemenge in eine andere Energieform, z.B. zur Umwandlung der Energiemenge einer Kraft 1 mit einem Arbeitsweg 1 in eine Energiemenge einer Kraft 2 mit einem Arbeitsweg 2, z.B. mittels eines Hebelmechanismus oder mittels eines hydraulischen Wandlers.
• - Energieeingriffsmittel zur Beeinflussung der aufnehmbaren oder abgebbaren Kräfte, Energiemengen oder Leistungen, z.B. zur Begrenzung der aufnehmbaren Energiemengen, zur Verzweigung von Energiemengen (z.B. in die Verformungsenergie mehrerer Federelemente), zur Dämpfung des Federsystems oder zur Steuerung der Lei­ stungen.
• - Verbindungsmittel zur räumlichen Verbindung untereinander und zur Befestigung der einzelnen Funktionsträger - Verkörperungen.

Beispielsweise sind bei einem Radfederungssystem eines Kraftfahrzeuges mit Einzelradaufhängung mit einer Schraubenfeder und mit einem Stoßdämpfer alle zuvor genannten Funktionsträger vertreten.

Federsysteme, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind in vielen Bereichen der Technik im Einsatz.

Bei einfachen Federsystemen kann vielfach auf die Energiewandlungsmittel und Energieeingriffsmittel verzichtet werden, und die Übertragungsmittel und Verbindungsmittel können in ein und demselben Element verkörpert sein.

In vielen Anwendungsfällen von Federsystemen mit einem hohen Energiespeicherungsvermögen der Federelemente ist es aus unterschiedlichen Gründen, z.B. aus Gründen der Minimierung der Herstellkosten oder des Bauvolumens oder der Bauteilmassen sehr erwünscht, die Federelemente möglichst klein und massearm ausführen zu können.

Zur Erfüllung dieser Forderung muß man zwangsläufig auf Federwerkstoffe zurückgreifen, welche pro Volumeneinheit (oder pro Masseneinheit bei gewünschter Massenminimierung) über eine hohe speicherbare Federenergie im Bereich der zulässigen elastischen Verformung verfügen. Soll die Feder gleichzeitig noch für eine Dauer-Wechselbelastung geeignet sein - wie dies für alle nachfolgenden Betrachtungen bevorzugt vorausgesetzt wird -, so dürfen bei der Federverformung nicht die zulässigen dynamischen Grenzwerte für die Spannungen, z. B. für die Zugspannungen σ_{Z, dyn} oder für die Druckspannungen σ_{D, dyn} , und auch nicht die zulässigen dynamischen Grenzwerte für die elastischen Zug-Dehnungen ε_{Z, dyn} und die elastischen Druck-Stauchungen ε_{D, dyn} überschritten werden.

Für einen Vergleich der Federwerkstoffe untereinander bezüglich ihres volumen-spezifischen Federenergie- Speichervermögens ist ein Vergleichsfaktor "V" heranzuziehen, welcher aus dem Produkt der werkstoff- spezifischen Kennwerte σ_zul und ε_zul entsteht. Für reine Zugbelastung gilt dann:

V_z = σ_{z, zul} × ε_{z, zul}.

Einen Vergleichsfaktor "K" zur Beurteilung des massenspezifischen Federenergie-Speichervermögens erhält man, wenn man den Faktor "V" durch die Dichte ρ des Federwerkstoffes dividiert.

K = V/ρ

Für andere Belastungsarten als reine Zugbelastungen sind die Vergleichsfaktoren "V" und "K" ähnlich wie für V_z aus den entsprechenden Werkstoff-Grenzwerten zu ermitteln. Je größer die Werte für die Vergleichsfaktoren ausfallen, umso besser eignet sich der Federwerkstoff für die Anfertigung von Federelementen kleinen Werkstoffvolumens oder geringer Werkstoffmasse.

Um Federelemente mit geringem Werkstoffvolumen oder mit geringer Werkstoffmasse bauen zu können, ist bekanntlich noch der Gesichtspunkt einer hohen prozentualen Beteiligung des gesamten Federwerkstoff-Volumens an der elastischen Federverformung zu berücksichtigen. Als klassische konstruktive Maßnahmen zur Befolgung dieser Forderung sind Federgestaltungen wie Parabelfeder, Tellerfeder und auf Torsion beanspruchte rohrförmige Stabfeder bekannt.

Eine theoretisch optimale Werkstoffausnutzung erhält man dann, wenn man ein Federelement ausschließlich auf Zug oder Druck beansprucht. Bei den zu bevorzugenden Federwerkstoffen mit hohen Vergleichsfaktoren "V" oder "K" erreicht man die dort bei der Federverformung anzustrebenden Grenzwerte für σ_{z, zul} und ε_{z, zul} für Federsysteme mit gängigen Steifigkeiten bzw. mit gängigem Energiespeichervermögen nur dann, wenn die Federkörper-Querschnitte gering und die Federlängen groß sind. Dies führt praktisch zur Konstruktionsweise von Federsystemen, bei welchen ein sehr langer, gestreckter Federdraht oder ein Filamentbündel auf Zug beansprucht wird. Abgesehen von einigen Sonder-Konstruktionen, bei welchen das Energiespeichervermögen nur eine untergeordnete Rolle spielt, sind derartige Federsystem- Bauweisen wegen ihrer extremen Längenausdehnungen für die meisten Anwendungsfälle von Federsystemen unbrauchbar.

Es ist auch bereits Stand der Technik, bei der Konstruktion von Federsystemen auf neuzeitliche nichtmetallische Werkstoffe zurückzugreifen, welche über sehr hohe Vergleichsfaktoren "V" oder "K" verfügen, die die entsprechenden Vergleichsfaktoren von metallischen Federwerkstoffen weit übertreffen. Zu diesen modernen Hochleistungswerkstoffen sind beispielsweise Glas-Fasern, Kohlenstoff-Fasern und Aramid-Fasern bzw. daraus hergestellte Verbundwerkstoffe GFK, CFK und SFK zu zählen. Die genannten Hochleistungswerkstoffe liegen aber als technisch verwertbare Federwerkstoffe zunächst nur in Form von Filamenten oder Filamentbündeln vor. Bei dem Versuch, aus derartigen Werkstoffen Federelemente herzustellen, bei welchen eine theoretisch optimale Werkstoffausnutzung durch ausschließliche oder überwiegende Belastung des Federelement-Querschnittes auf Zug oder Druck vorliegt, stößt man auf die gleichen Schwierigkeiten, wie zuvor bereits beschrieben. Zwar könnte man bei Verwendung der nichtmetallischen Hochleistungswerkstoffe wegen ihrer im Vergleich zu metallischen Federwerkstoffen höheren Vergleichsfaktoren "V" oder "K" bei gleichem Energiespeichervermögen eine kürzere Längenausdehnung der Federelemente erzielen, doch würde die dann verbleibende Gesamtlänge des Federelementes immer noch zu nicht praktikablen langgestreckten Konstruktionen führen.

So sind denn auch bis heute nur Federelement- Konstruktionen aus Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen bekannt, in welchen die Federdeformationen - wie z.B. bei Blattfedern für Kraftfahrzeuge - im Federelement überwiegend zu Biegespannungen und Schubspannungen führen. Es sind auch aus Endlosfasern (Filamenten) in Form von Wickelkörpern hergestellte hohle Bauteile zur Aufnahme von unter Druck gebrachten fluidischen Medien bekannt, bei welchen die Fasern überwiegend auf Zug beansprucht werden und wobei diese Bauteile auch in Federsystemen eingesetzt werden. Es handelt sich bei diesen Federsystemen jedoch um pneumatische Federsysteme, bei welchen ein unter Druck stehendes Gasvolumen als ein energiespeicherndes Federelement wirkt. Bei derartigen Systemen dienen die Endlosfasern jedoch nur dem Zwecke der Realisierung von dünnwandigen leichtgewichtigen und hochfesten Behälterwänden und ihr Energiespeichervermögen ist nur von untergeordneter Bedeutung.

Aus Endlosfasern hergestellte dünnwandige Wickelkörper, welche zusammen mit anderen metallischen Bauteilen einen druckdichten und druckbeaufschlagbaren Hohlkörper bilden, werden auch als Dehnspanndorne eingesetzt (Prospekt "PRD 70 - 1288, Id.Nr. 3 26 100" der Fa. Röhm, D - 7927 Sontheim). Bei diesen Dehnspanndornen wird der Wickelkörper durch ein hydraulisches Druckmittel durch Vergrößerung seines Wickeldurchmessers gedehnt, so daß der Außendurchmesser des Wickelkörpers an den Innendurchmesser eines Werkstückes zur Anlage kommt und somit mit dem Werkstück verspannt wird. Bei diesem Anwendungsfall dient der gedehnte Wickelkörper jedoch nicht als Energiespeicher eines Federsystems und es sind auch keine konstruktiven Maßnahmen in Form einer speziellen hydraulischen Abdichtung und einer dauerfesten Formgestaltung an den Wickelkörper-Stirnseiten für hohe Dehnungen ε_dyn vorgesehen, mit Hilfe derer man den Wickelkörper zu einem dauerfesten Federlement hoher Energiedichte umfunktionieren könnte.

Eine spezielle Anwendung von Federsystemen zur Kraft- oder Energiespeicherung mit hohen Anforderungen an ein großes Energiespeichervermögen der Federelemente und an eine gleichzeitig kleinvolumige Konstruktionsweise des gesamten Federsystems liegt vor, wenn dieselben an umlaufenden Maschinenteilen angeordnet sein müssen.

Als ein Anwendungsgebiet, auf welchem die vorliegende Erfindung ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden soll, seien hier schnellaufende Werkzeugmaschinenspindeln genannt. Bei Werkzeugmaschinenspindeln werden Federsysteme zur Spannkrafterhaltung von durch Festspannen mit der Spindel zum Umlauf gezwungene Werkzeuge, Werkzeughalter, Werkstücke und Werkstückhalter eingesetzt. Aus Sicherheitsgründen benötigt man dabei ein sehr hohes Energiespeichervermögen der mit umlaufenden Federlemente. Diese Anforderung wird für die mittels besonderer Spannmittel, z.B. mittels 3-Backen- Spannfuttern, an Drehmaschinen-Spindeln einzuspannenden Werkstücken nachfolgend näher erläutert.

Schnellaufende Drehmaschinen werden praktisch ausschließlich mit kraftbetriebenen Spannmitteln betrieben. Die am Werkstück angreifende Spannbewegung wird in der Regel abgeleitet von der zentralen Spannbewegung eines in der mittigen Spindelbohrung axial bewegten Spannrohres (Spannstange), welches seinerseits wieder von einem Spannkraftaggregat angetrieben ist. Als Spannkraftaggregate dienen heute überwiegend noch Hydraulik-Spannzylinder, die ihre Energie in Form von unter Druck gesetztem Hydrauliköl über Drehdurchführungen zugeleitet bekommen.

Während der Drehbearbeitung des Werkstückes kann es vorkommen, daß die Spannbacken des Spannfutters eine Nachspannbewegung durchführen müssen, was an dem zentralen Spannrohr eine analoge Zusatzspannbewegung erfordert. Bei einem Backenfutter mit 250 mm Durchmesser und einer maximalen Spannkraft von 6000 da N am Zugrohr rechnet man mit einer möglichen maximalen Zusatzspannbewegung am Spannrohr von 1 mm. Bei den konventionellen hydraulischen Spannzylindern bleibt die Energiezufuhr für die Nachspannbewegung zur Aufrechterhaltung der Spannkraft am Werkstück auch bei Drehung der Spindel über die Drehdurchführung erhalten.

Dieser Vorteil der permanenten Energiezufuhr wird jedoch mit den mit der Drehdurchführung verbundenen Nachteilen erkauft. Beispielsweise verursacht die Drehdurchführung eine weitauskragende schwingungsfähige Bauweise des Spannkraftaggregates und das Dichtungsprinzip läßt es bei den bereits heute üblichen hohen Drehzahlen nicht zu, mit hohen Hydraulikdrücken zu arbeiten, um somit massearme und kleinvolumige Spannzylinder verwenden zu können.

Als gravierendster Nachteil beim Einsatz an schnell laufenden Spindelen ist jedoch die mit einer hohen Verlustleistung verbundene Entwicklung von Wärme zu nennen, welche sich sehr nachteilig auf die Spindellagerung auswirkt. Wie z.B. aus der EP-OS 02 20 134, der EP-OS 02 28 007 oder der DE-OS 36 29 453 hervorgeht, wurden bereits mehrfach Versuche unternommen, ein Spannkraftaggregat mit Durchlaßbohrung einzuführen, bei welchem auf eine auch während der Spindeldrehung wirksame Energiezufuhr von außen für die Konstanthaltung der Spannkraft verzichtet werden kann. Derartige Spannkraftaggregate müssen zwangsläufig über einen mitumlaufenden Spannkraftspeicher verfügen, welcher eine erhebliche Energiemenge aufnehmen kann, deren notwendige Größenordnung nachfolgend für das bereits benannte Beispiel eines Futters mit 250 mm Durchmesser und 6000 da N Spannkraft am Spannrohr ausgewiesen wird.

Es besteht die Forderung, daß bei einem Nachspann-Hub des Spannrohres von 1 mm, dessen Hubarbeit aus der gespeicherten Energie eines Federsystems entnommen werden muß, die Spannkraft um maximal 10% abfallen darf. Aus dieser Forderung läßt sich ableiten, daß das mitumlaufende Federsystem vor Beginn des Nachspann-Hubes eine Energie von 300 Nm gespeichert haben muß, was beispielsweise der gespeicherten Energie einer bei einem Hub von 10 mm von der Federkraft Null auf die Federkraft 6000 da N gespannten Feder entspricht. Angesichts der hohen Anzahl von Spannzyklen, welche während der Lebensdauer einer Drehmaschine durchzuführen sind, muß ebenfalls verlangt werden, daß für die maximal speicherbare Energie das ausgewählte Federsystem auf Dauerfestigkeit ausgelegt sein muß.

Der in der Berechnung von Federelementen versierte Fachmann wird leicht einsehen, daß bei der Verwendung von bisher bekannten Federelementen für die Speicherung einer Spannenergie der zuvor angegebenen Größenordnung ein Federsystem vorgesehen werden muß, welches ein enormes Bauvolumen aufweist, auf welches aus den dargestellten Proportionen der Zeichnungen der zuvor genannten Veröffentlichungen nicht geschlossen werden kann.

Diese zwangsläufig notwendige schwergewichtigte Dimensionierung der Spannkraftspeicher stellt eine praktisch nicht überwindbare Hürde für die Praxiseinführung von an sich fortschrittlichen, auf den Verzicht von hydraulischen Drehdurchführungen bedachten Lösungen dar.

Als unzulänglich können die bisher bekannt gewordenen Federsysteme zur Speicherung von Spannenergie an umlaufenden Spindeln auch in der Hinsicht angesehen werden, daß sie problematisch bezüglich der entstehbaren Unwuchten sind, insbesondere durch das vorhandene Bewegungsspiel an diversen Bauteilen, und daß sie schlecht integrierbar sind in die ansonsten noch an den Spindeln unterzubringenden rotationssymmetrischen Umbauungsteile, wozu in hohem Maße auch die notwendigen Bauteile des Systems für die Übertragung der Kräfte bzw. Energiemengen mitbeitragen.

Es würde einen enormen Fortschritt sowohl für den zuletzt geschilderten speziellen Anwendungsfall eines Federsystems an Werkzeugmaschinenspindeln, wie auch für viele andere nicht näher beschriebene Anwendungsfälle bedeuten, wenn es gelänge, Federsysteme zur Verfügung zu stellen, in welchen Federelemente zum Einsatz gelangen, bei welchen eine Kombination von modernen Federwerkstoffen mit höchsten Vergleichsfaktoren "V" oder "K" und einer optimalen Werkstoffausnutzung durch überwiegende Zugbelastung oder Druckbelastung des ganzen Werkstoffvolumens vorhanden ist.

Für die Isolation von Bauwerken oder Industrieanlagen (z.B. Kernkraftwerke) gegen Erschütterungen (z.B. Erdbeben-Erschütterungen) werden Federsysteme eingesetzt, welche üblicherweise mit zylindrischen Schraubenfedern ausgestattet sind.

Diese Federsysteme sollen sowohl hohe Lasten aufnehmen, als auch große Federwege aufweisen, letzteres, um eine möglichst tiefe Eigenfrequenz des belasteten Federsystems zu erreichen. Die Erfüllung beider Forderungen gleichzeitig, bedeutet, daß das Federsystem eine große Federenergiemenge speichern können muß. Dies führt bei konventionellen Federsystemen für große Lasten zu praktisch nicht vertretbaren Baugrößen und enormen Herstellkosten. Ein zusätzliches Problem ergibt sich bei angestrebten großen Federwegen und bei der Anwendung von Schraubenfedern auch noch daraus, daß die dann mit großer Zylinderhöhe auszuführenden Schraubenfedern eine zu geringe Quer-Steifigkeit aufweisen, oder, daß die Gefahr des Ausknickens besteht.

Der Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde, Federsysteme für die Speicherung von Kräften oder Energiemengen mit den zugehörigen Federelementen zu schaffen, wobei im Interesse eines hohen volumenspezifischen bzw. gewichtsspezifischen Energiespeichervermögens in den Federelementen Hochleistungsfasern mit hohen Vergleichsfaktoren "V" bzw. "K" zum Einsatz gelangen und wobei im Sinne einer hohen Werkstoffausnutzung die elastische Deformation in den Hochleistungsfasern im wesentlichen Zugspannungen bzw. Druckspannungen hervorruft, die sich möglichst gleichmäßig über den Belastungsquerschnitt des Federelementes verteilen sollen.

Neben der Verwendung für ganz beliebige Einsatzfälle soll das Federsystem darüberhinaus auch für die Anwendung an umlaufenden Maschinenspindeln wie auch für die Schwingungs-Isolierung von Bauwerken beliebiger Art geeignet sein, bei Vermeidung der erwähnten Nachteile konventioneller Federsysteme auf diesen Gebieten. Weiterhin sollen die zu benutzenden Federelemente auch eine Formgestaltung aufweisen können, welche eine kompakte und raumsparende Bauweise oder auch eine sehr kleine Bau-Höhe des gesamten Federsystems gestattet.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkleiten ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anwendungsmöglichkeiten für Federsysteme nach der Erfindung ergeben sich neben den genannten speziellen Anwendungsgebieten praktisch für alle Bereiche der industriellen Technik, wo bereits heute konventionelle Federsysteme zum Einsatz gelangen, wie z.B. im Fahrzeugbau und Maschinenbau. Weitere Anwendungsmöglichkleiten bestehen jedoch auch im nichtindustriellen Bereich, wo ein erfindungsgemäßes Federsystem z.B. in einem automatischen Türschließer angewendet werden könnte.

Die besonderen Vorteile der Erfindung ergeben sich ganz allgemein aus der möglichen kleinvolumigen Bauweise der Federelemente mit hoher volumenspezifischer bzw. massespezifischer Energiedichte des deformierten Federwerkstoffes, sowie aus der hohen Flexibilität bei der baulichen Vereinigung des gewickelten Federelementes mit anderen Konstruktionselementen, z.B. durch eine konzentrische Anordnung des Federelementes mit einem anderen Bauteil. Bei der Anwendung im Fahrzeugbau tritt neben den Vorteil des guten Korrosionsverhaltens der heute bereits verfügbaren Faser-Verbundwerkstoffe noch derjenige Vorteil, daß beim Einsatz von hydraulischen Energiewandlungsmitteln das Druckfluidmedium gleichzeitig noch zur Realisierung von Zusatzfunktionen wie Dämpfung, Federkennlinien-Veränderung und Federhub-Verlagerung zur Verfügung steht, wobei zusätzlich auch noch der Volumenstrom des Druckfluidmediums eine gute Eingriffsmöglichkeit für Stellglieder von Regelsystemen darstellt.

Bei der Anwendung der Erfindung für Federsysteme zur Isolierung von Schwingungen an Bauwerken können speziell für hohe Lasten erhebliche Vorteile unterschiedlicher Art in Anspruch genommen werden, wie:

• - Sehr große, realisierbare Federwege bei gleichzeitig kleiner Bau-Höhe und bei gleichzeitig hoher Quer-Steifigkeit.
• - Gute Dämpfungseigenschaft durch Gleitreibung bei Einsatz eines Keilgetriebes.
• - Senkung der Herstellkosten.

Prinzipielle Ausführungsmöglichkeiten und 3 Anwendungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Federsystem mit mechanisch arbeitenden Energiewandlungsmitteln,

Fig. 2a, 2b, 2c, einen Längsschnitt durch ein Federsystem mit hydraulisch arbeitenden Energiewandlungsmitteln,

Fig. 3a, 3b einen queraxialen Schnitt durch ein polygonförmiges, gewickeltes Federelement auf einem polygonförmigen Federelement-Träger,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Werkzeugmaschinenspindel mit einem Federsystem zum Spannen von Werkstücken,

Fig. 5a einen Schnitt - senkrecht zur einer von außen eingeleiteten Federbewegung - durch ein Federsystem mit einem Keilgetriebe mit einer Wälzkörper-Führung.

Fig. 5b einen durch die Schnittführung A-A in Fig. 5a gekennzeichneten Schnitt,

Fig. 6a einen Schnitt parallel zu einer von außen eingeleiteten Federbewegung durch ein Federsystem mit einem Keilgetriebe mit einer Gleit-Führung.

Fig. 6b einen durch die Schnittführung B-B in Fig. 6a gekennzeichneten Schnitt.

Die erfindungsgemäße Lösung folgert aus den nachfolgenden Überlegungen.

Bei der gewünschten Belastungsweise der in dem Federelement enthaltenen Filamente mit überwiegend Zugspannungen bzw. Druckspannungen sind die Spannungen im wesentlichen parallel zur Faserachse gerichtet. Die Einleitung der die inneren Spannungen in den Filamenten bewirkenden äußeren Kräfte parallel zu den Filamentsachsen an zwei Enden eines gestreckt angeordneten Filamentes, z.B. über die Schubspannungen eines Klebermaterials oder über durch die Filamente selbst an ihren Enden gebildete Schlingen wäre sehr aufwendig und würde außerdem dazu führen, daß ein beträchtlicher Anteil des Federwerkstoffvolumens nicht vollständig an der gewünschten Belastungsart beteiligt würde.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieses Problemes besteht darin, das Filament endlos zu einem z.B. kreisförmigen Gebilde zu formen und die äußeren Kräfte als Flächenlast quer zur Filamentsachse auf die Filamentoberfläche aufzubringen, um auf diese Weise eine gleichmäßige Zugbeanspruchung in dem Filament zu erzeugen. Die gleiche Wirkung wird erzielt, wenn man eine Vielzahl derartiger z.B. kreisringförmiger, Gebilde nebeneinander und übereinander mit gemeinsamer Symmetrieachse anordnet oder aus einem längeren Filament einen z.B. zylinderförmigen Wickelkörper mit nebeneinanderliegenden Windungen und übereinanderliegenden Wicklungslagen bildet.

Die Enden des Filamentes kann man dabei z.B. mit einem Kleber mit den übrigen Fasern der Windungen verbinden, so daß die in ihnen vorhandenen, in Filamentachsrichtung verlaufenden Kräfte über Schubspannungen in die übrigen Windungs-Filamente eingeleitet werden. Bei genügend großer Länge der Filamente fällt dann der Verlust bezüglich einer optimalen Werkstoffausnutzung praktisch nicht mehr in′s Gewicht, selbst, wenn man einen derartigen Wickelkörper aus einer Vielzahl von getrennten Filamenten aufbaut.

Es empfiehlt sich auch, die Zwischenräume zwischen den einzelnen Filamenten mit einem an den Filamenten gut haftenden Füllstoff aufzufüllen, welcher wenigstens im Gebrauchsstadium des Wickelkörpers als Federelement einen festen Aggregatszustand angenommen haben sollte. Als derartige Füllstoffe kommen vorzugsweise die gleichen Materialien in Frage, mit welchen man die bekannten Faserverbundwerkstoffe, z.B. Glasfaserverbundwerkstoffe, ausrüstet. Derartige Füllstoffe, z.B. Epoxidharze, liegen dann am Ende des Produktionsprozesses der Wickelkörper in fester Form vor. Wegen des in der Technik eingeführten Begriffes werden diese Füllstoffe nachfolgend auch als Matrixwerkstoffe bezeichnet.

Die vorgesehenen Matrixwerkstoffe übernehmen bei der Verwendung des Wickelkörpers, speziell bei seinem Einsatz als Federelement, mehrere Hilfsaufgaben. Einmal verleiht der Matrixwerkstoff dem ganzen Wickelkörper einen festen Zusammenhalt, so daß durch die Verbindung von Filamenten und Matrixwerkstoff ein Verbundwerkstoff entsteht.- Weiterhin kann durch die Füllwirkung des Matrixwerkstoffes die Oberfläche des Wickelkörpers geglättet werden und die Wickelkörperwand kann z.B. undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten gemacht werden.

Schließlich vermag der Matrixwerkstoff auch Kräfte zwischen den Filamenten zu übertragen, wodurch er u.a. dazu beiträgt, die radial wirkenden äußeren Kräfte gleichmäßig auf alle Filamente zu übertragen. Der Matrixwerkstoff muß natürlich imstande sein, die vorgesehene Filament-Dehnung (oder -Stauchung) ohne Schaden auch bei dynamischem Dauergebrauch mit zu vollziehen. Durch die Einbettung der Filamente in den Matrixwerkstoff wird es auch ermöglicht, die Filamente derart zu wickeln, daß innerhalb gewisser Grenzen ein beliebiger Steigungswinkel gewählt werden kann. Erst durch die Verbindung vieler Filamentwindungen und Windungslagen mit Hilfe des Matrixwerkstoffes zu einem einzigen festen Körper wird die Möglichkeit geschaffen, durch radial nach innen gerichtete äußere Kräfte die Filamente auch elastisch zu stauchen.

Für die praktische Fertigung von erfindungsgemäßen Wickelkörpern kommen anstelle von Einzel-Filamenten vorzugsweise Filamentbündel oder Fäden oder Filamentbänder (als Rovingfäden bzw. Rovingbänder) in Frage. Es könnten für besondere Zwecke aber auch dünne Metalldrähte in Frage kommen, da sich bei sehr dünnen, vor allem federhart gezogenen Metalldrähten wegen ihrer hohen Festigkeitswerte (z.B. bei einem Durchmesser 0,1 mm) auch bereits beachtliche Vergleichsfaktoren "V" erzielen lassen.

Mit der gewählten ringförmigen Anordnung der Filamente ist zugleich auch die Forderung nach einer kompakten Bauform des Federelementes erfüllt. Anstatt einer Kreisringform kann der Wickelkörper - betrachtet man seine Querschnittform senkrecht zur Wickelachse - auch eine Polygonringform aufweisen. Diese Form entsteht z.B. bei einem endlos zu einem Kreisring geformten Filament dann, wenn man anstelle einer konstanten Streckenlast mehrere, vorzugsweise unter gleichen Winkelteilungen radial nach außen weisende (vorzugsweise gleichgroße) Einzelkräfte quer zur Filamentachse auf die Oberfläche des Wickelkörpers einwirken läßt. Im Grenzfall kann die Polygonform des Wickelkörpers auch lediglich nur zwei "Ecken" aufweisen, wie dies z.B. in Fig. 6 gezeigt ist.

Das insoweit beschriebene erfindungsgemäße Federelement vermag - mit der angenommenen Belastungsweise betrieben - eine hohe volumenspezifische und massenspezifische Verformungsenergie aufzunehmen. Nachteilig ist zunächst noch die Eigenschaft, daß bei einer relativ klein gewählten (mittleren) Wickellänge auf dem Wickel-Umfang des Wickelkörpers - wie er in den meisten Fällen wegen des sonst zu großen Raumbedarfes notwendigerweise vorliegt - die die aufnehmbare Energiemenge bestimmenden Größen "Federweg" und "Federkraft" in einem Verhältnis stehen, welches in den meisten Anwendungsfällen nicht dem praktischen Bedarf entspricht.Dieser verlangt vielmehr in der Regel relativ große Federwege bzw. "weiche" Federn.

Nachteilig ist weiterhin zunächst auch die Notwendigkeit, die äußeren Kräfte in einer im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Feder-Filamente weisenden Richtung in das Federelement einführen zu müssen, während doch die praktische Aufgabenstellung in der Regel erwartet, daß die äußeren Kräfte über ein translatorisch oder rotatorisch bewegtes Element in das Federsystem eingeführt werden können.

Um hier Abhilfe schaffen zu können, sieht das erfindungsgemäße Federsystem zusätzliche Übertragungsmittel zur Übertragung und Umlenkung der mit dem Federsystem in Wirkverbindung stehenden äußeren Kräfte, sowie auch Energiewandlungsmittel zur Umwandlung der aufgenommenen oder abgegebenen Energiemenge in eine andere Energieform, vorwiegend zur Umwandlung eines äußeren großen Kraftwirkungs-Weges in den inneren kleinen Kraftwirkungs-Weg der Dehnbewegung des Federelementes (und umgekehrt), vor.

Für die konstruktive Realisierung der Übertragungsmittel und der Energiewandlungsmittel sieht die Erfindung eine mechanische und eine hydraulische Variante vor.

Das Grundprinzip der mechanischen Variante wird durch Fig. 1 veranschaulicht.

Ein stationär und unbeweglich angeordneter linker Federelementträger 100 mit einem Kegelmantel 112 weist einen zylindrischen Fortsatz 102 auf, welcher zum Zwecke einer bezüglich der Achse 128 konzentrischen Führung beider Körper in der Zylinderbohrung 104 eines rechten Federelementträgers 106 gleitbeweglich geführt ist. Der rechte Federelementträger 106 verfügt über einen Kegelmantel 116, dessen Kegelwinkel dem des Kegelmantels 112 entspricht.

Auf beiden Kegelmänteln sind Federelemente 114 bzw. 118 mit ebenfalls kelgeförmigen inneren und äußeren Mantelflächen aufgesetzt. Die ringförmigen Federelemente stellen einen aus Filamenten eines hochfesten Federwerkstoffes aufgewickelten und mittels eines Matrixwerkstoffes zu einem einzigen Körper verbundenen Wickelkörper dar.

Zwischen beiden Federelemten ist ein dehnfähiger Übertragungsring 120 mit zwei kegeligen Innenflächen 132 angebracht.

Über ein die Grenze 130 des Federsystems überschreitendes bolzenförmiges Kraftübertragungsorgan 134 kann eine äußere Kraft F in das Federsystem übertragen werden, welche über beide Federlemente und den zwischengeschalteten Übertragungsring 120 in den stationären linken Federelementträger 100 eingeleitet wird.

Die eingeleitete äußere Kraft F bewirkt an beiden Federelementen eine den Ringdurchmesser vergrößernde Dehnbewegung, welche eine analoge achsiale Relativbewegung 122, 124 der Federelemente relativ zu ihren Federelementträgern zur Folge hat. Als Folge der achsialen Relativbewegungen der Federelemente ergibt sich eine Federbewegung mit dem Federweg 126 des rechten Federelementträgers 106 relativ zu dem linken Federelementträger 100 in Richtung des Pfeiles 108.

Unter der Voraussetzung des Fehlens jeglicher Übertragungsverluste ist im eingefederten Zustand des Federsystems die durch die Kraft F über den Federhub 126 geleistete Arbeit (Energiemenge) in eine Arbeit (Energiemenge) des Federelementes umgesetzt, welche der Dehnung des Federelementes von einem mittleren Durchmesser d_m1 auf einen mittleren Durchmesser d_m2 entspricht und die in den Federelemeten gespeicherte Arbeit ist bei Entlastung der Federlemente wieder rückwandelbar in eine Arbeit, welche die in Richtung des Pfeiles 110 weisende Rückfederbewegung des Federelementträgers 106 mit der Kraft F′ über den Federweg 126 leistet.

Bei der praktischen Ausführung eines Federsystems gemäß Fig. 1 ist jedoch mit Energieverlusten zu rechnen, so daß die mit der Rückfederbewegung wieder gewinnbare Energiemenge niedriger ist als die mit der Einfederbewegung eingebrachte Energiemenge. Der Energieverlust ist insbesondere zurückzuführen auf Reibungsverluste, welche bei der Relativbewegung der Federelemente relativ zu den Federelementträgern auftreten. Um diese Reibungsverluste minimieren zu können, sieht die Erfindung vor, die Kegelmantelflächen 112, 116 mit einer reibungsmindernden Beschichtung zu versehen. Bevorzugt ist eine Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff vorgesehen, womit sich in Verbindung mit den vorgesehen Verbundwerkstoffen Reibungskoeffizienten kleiner als µ = 0,1 bei absolutem Trockenlauf realisieren lassen. Zur Reibungsminderung können jedoch auch andere bekannte Gleitbeschichtungen oder Gleitbeläge (z.B. unter Verwendung von PTFE- Chemiewerkstoffen) oder auch ein Schmierstoff eingesetzt werden. Will man bei der Dehnung des Federlementes die mögliche zulässige Zugspannung σ_{z, dyn} voll ausnutzen, so ergibt sich für die Wandstärke "h" eine obere Grenze, welche sich aus der zulässigen Flächenpressung "p" zwischen Federelement und Federelementträger ergibt. Für ein ringförmiges Federelement mit einem kleinen Verhältnis h/d_m gilt für eine gleichmäßige radiale Belastung mit einer spezifischen Flächenpressung p annäherungsweise:

h = p × d_m/2 × σ_{z, dyn}

Für größere Abmessungen von h muß d_m in Abhängigkeit von h ausgedrückt werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung übernehmen die Federelementträger 100 und 106 gleichzeitig mehrere Funktionen, und zwar die der Übertragung der äußeren Kraft, der Umlenkung der achsial wirkenden äußeren Kraft in radiale, auf das Federelement wirkende Kräfte und die der mit Kraftumlenkung verbundenen Wandlung der Energieform einer ersten, mit dem Federweg 126 verbundenen Energieform in eine zweite, mit der radialen Dehnung der Federelemente verbundene Energieform.

Soweit die Funktion der Energiewandlung zur Umwandlung eines äußeren großen Kraftwirkungs-Weges in den inneren kleinen Kraftwirkungs-Weg der Dehnbewegung des Federelemtes betroffen ist, kann man auch von einem Energiewandlungs-Getriebe sprechen. Im speziellen Falle der Fig. 1 liegt demzufolge ein Keilgetriebe mit Gleit- Lager vor.

In Fig. 2a ist die hydraulische Variante des erfindungsgemäßen Federsystems in ihrer prinzipiellen Wirkungsweise dargestellt. Ein mit einem Flansch 202 über dessen Gewindezapfen 204 verschraubter rotationssymmetrischer Grundkörper 200 ist von einem ringförmigen Federelement 208 umschlossen, welches über die zylindrischen Schulterflächen 206, 206′ zentriert ist. Ein mittiger zylindrischer Druckraum 210 ist über radiale Verbindungskanäle 212 in der Zylinderwand 218 mit einem zylindrischen Druckraum 214 verbunden, dessen äußere Wandung durch die zylindrische Innenfläche des Federelementes 208 gebildet wird. Die erwähnten Hohlräume sind mit einem im wesentlichen inkompressiblen Druckfluidmedium (z.B. Hydrauliköl) gefüllt und können durch das als Plungerkolben ausgebildete Kraftübertragungsorgan 216 für die Übertragung der äußeren Kräfte F bzw. F′ unter Druck gesetzt werden.

Das Federelement 208 ist stirnseitig durch die Stirnflächen 222 und 224 des Grundkörpers 200 bzw. des Flansches 202 eingeschlossen und durch gegen die Stirnflächen 228 bzw. 230 des Federelementes selbst wirkende Dichtelemente 226, 226′ ist der zylindrische Druckraum 214 nach außen hin abgedichtet.

Das Federelement besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, bei welchem zu einem Wickelkörper aufgewickelte Endlosfasern eines hochfesten Federwerkstoffes über einen Matrixwerkstoff zu einem festen Körper verbunden sind, wodurch gleichzeitig die Stirnflächen 228 bzw. 230 des Federelementes eine derart glatte und verschleißfeste Oberfläche erhalten, daß dieselben als Gegenlaufflächen der festsitzenden Dichtelemente 226, 226′ eines dynamischen Dichtsystems wirken können.

Während der Grundkörper 200 als ein stationäres Teil des Federsystems anzusehen ist, ist das Kraftübertragungsorgan 216 ein bewegliches Teil des Federsystems und es hat die Aufgabe, eine von außerhalb der Systemgrenze 232 aufgebrachte Kraft F und damit auch die Verbindung mit dem Federweg H eine entsprechende Energiemenge in das Federsystem einzuleiten, bzw. auch wieder hinauszuführen.

Beim Zurücklegen des Federweges H wird ein mit zunehmender Größe des Federweges zunehmender hydraulischer Druck erzeugt, welcher eine zunehmende Dehnung des Federelementes verursacht, wobei gleichzeitig eine Energiewandlung stattfindet, derart, daß die über den Federweg H eingeleitete Hubarbeit des Plungerkolbens in eine Deformationsarbeit des elastisch verformten Federkörpers umgewandelt wird. Es liegt auf der Hand, daß dieser Prozeß auch in umgekehrter Weise ablaufen kann. Proportional zu dem Federweg H bzw. zur Verlagerungsgeschwindigkeit des Plungerkolbens wird ein Volumenstrom zwischen den Druckräumen 210 und 214 über die Verbindungskanäle 212 hin und her geschoben.

Die Verbindungskanäle 212 sind daher eine bevorzugte Stelle für einen steuernden oder regelnden Eingriff von Energie- Eingriffsmitteln zur Beeinflussung der aufnehmbaren oder abgebbaren Kräfte, Energiemengen oder Leistungen. Ein derartiges Energie-Eingriffsmittel arbeitet in erster Linie mit Mitteln zur Beeinflussung des Strömungsquerschnittes und stellt im einfachsten Falle eine Drosselstelle zur Dämpfung von Schwingungserscheinungen dar.

Um der Aufgabenstellung nach einer möglichst vollständigen Beteiligung des gesamten Werkstoffvolumens des Federelementes an einer möglichst gleichmäßig über den Belastungsquerschnitt verteilten Deformationsbelastung mit einem möglichst hohen Anteil an Zugspannungen nachkommen zu können, und um auf einfache Weise eine schubspannungsarme und dynamisch dauerfeste Gestaltung des Federkörpers vornehmen zu können, sieht die Anordnung nach Fig. 2a vorzugsweise vor, daß der Belastungsquerschnitt (Wandstärke h) und der radiale Ausfederungsweg des Federelementes über die ganze Länge L des Federelementes möglichst konstant bleibt. Dies erfordert wiederum, daß auch der hydraulische Druck über möglichst die gesamte Länge L mit möglichst der gleichen Größe an der inneren Zylinderfläche des Federelementes angreifen können muß.

Als Konsequenz daraus sieht die erfindungsgemäße Lösung bevorzugt vor, ein dynamisches Dichtsystem zu bilden, bei welchem die bewegte, zusammenhängende kreisringförmige Dichtungsfläche nicht gleichgerichtete radiale Bewegungen durchführt. Wenigstens für den Einsatz von niedrigviskosen Druckfluidmedien sieht das dynamische Dichtungssystem dafür besondere Dichtelemente 226, 226′ vor. Bei dem in Fig. 2a gezeigten Dichtungssystem nehmen die Dichtelemente nicht ganzkörperlich an der Bewegung teil. In den Fig. 2b und 2c sind zwei alternative Ausgestaltungen des durch den Kreis A gekennzeichneten Auschnittes der Anordnung nach Fig. 2a mit andersartig gestalteten dynamischen Dichtsystemen in einem vergrößerten Maßstab gezeigt.

In Fig. 2b ist ein dynamisches Dichtsystem mit einem besonderen Dichtelement 270 mit zwei Dichtlippen 272 wiedergegeben. Das Dichtelement besteht aus einem elastisch verformbaren Werkstoff, wodurch bedingt an jeder Stelle des Dichtring-Querschnittes der gleiche Druck wie im Inneren des Druckraumes 214 herrscht, wodurch sich das Dichtelement flexibel an die Wandungen des Druckraumes anschmiegt. Bei einsetzender radialer Dehnung des Federelementes 208 bleibt die Anschmiegung des Dichtelementes an die Wandungen erhalten, wobei sich jedoch - bedingt durch die radiale Vergrößerung des Druckraumes 214 - die Abmessung y des Dichtelementes vergrößert und die Abmessung x verkleinert, und wobei ein Teil des Dichtringvolumens die radiale Verlagerung des Federelementes mitvollzieht.

In Fig. 2c ist ein dynamisches Dichtsystem gezeigt, bei welchem das besondere Dichtelement als eine durch den Druck p an die Stirnwand 222 des Grundkörpers 200 gepreßte Dichtlippe in den Wickelkörper des Federelementes 208 integriert ist, so daß in diesem Falle das Dichtelement die radiale Verlagerungsbewegung des Federelementes ganzkörperlich mitvollzieht.

Es wäre auch ein Dichtsystem denkbar, welches sich einer Veränderung der Zylinderlänge L (Infolge der Belastung durch p) in axialer Richtung automatisch anpaßt.

Bei als hohlzylindrischen Wickelkörpern ausgebildeten Federelementen, welche unmittelbar durch einen hydraulischen Druck gedehnt werden sollen, ist jedoch die Einhaltung eines konstanten Belastungsquerschnittes nicht zwangsläufig erforderlich. Eine Vergrößerung der Wandstärke h (Fig. 2a) an den Stirnseiten kann durchaus sinnvoll sein, um bessere Voraussetzungen für das Dichtsystem zu schaffen, oder, um einen Wickelwinkel größerer Steigung zuzulassen, aus dem sich unter gewissen Fertigungsbedingungen automatisch eine Vergrößerung der Wandstärke h an den Stirnseiten ergibt.

Um zu einer möglichst großen Wandstärke h zu gelangen, ohne dabei die erforderlichen Dehnkräfte zu erhöhen, kann es auch sinnvoll sein, parallel mit Hochleistungsfasern andere Fasern mit niedrigem E-Modul in den Wickelkörper einzuarbeiten.

Auch für die hydraulische Variante eines erfindungsgemäßen Federsystems gilt die bereits genannte Formel für die Bemessung der Wandstärke h, wobei in diesem Falle die zulässige Flächenpressung p an der Innenwand des Federelementes identisch ist mit dem hydraulischen Druck p. Derzeitig verfügbare Matrixwerkstoffe lassen eine auch dynamisch ertragbare Flächenpressung in der Größenordnung von p = 40 N/mm² zu. Dies entspricht einem Hydraulikdruck von 400 bar, welcher für die hier vorgesehenen Aufgaben noch gut beherrschbar durch die Dichtungselemente eingesetzt werden kann. Dank dieses einsetzbaren hohen Druckes gelangt man konform mit der Aufgabenstellung zu äußerst kleinen Baugrößen der beteiligten Bauelemente, wofür ein Rechnenbeispiel weiter hinten angegeben wird.

Anstelle üblicher Hydrauliköle können als Druckfluidmedien auch hochviskose plastische Massen, wie z.B. das Handelsprodukt Mipoplast der Fa. Dynamit-Nobel AG, D - 5210 Troisdorf, welches im Gebrauchszustand als eine gallertartige Masse vorliegt, eingesetzt werden. Damit kann man auf besondere Dichtelemente auch völlig verzichten. Es ist auch möglich, als Druckfluidmedium kompressible thermoplastische Massen einzusetzen. Zur Vergrößerung des Energiespeichervolumens können auch zwei ringförmige Federelemente konzentrisch zueinander angeordnet werden, wobei dann das innere Federelement auf Druck beansprucht wird.

Zwecks Veränderung der Federkennlinie in einer gewünschten Weise können durch Herstellen von geeigneten hydraulischen Verbindungswegen zwei oder mehrere hydraulisch belastete Federelemente in Parallelschaltung oder Serienschaltung kombiniert werden.

Bei der Anordnung nach Fig. 2a ist das als Plungerkolben ausgebildete Kraftübertragungsorgan 216 gleichzeitig noch ein Teil der Energieumwandlungsmittel zur Umwandlung der Energieform der über die Systemgrenze eingebrachten Energiemenge in die andersartige Energieform der Energie der elastischen Deformation. In Anlehnung an die im Zusammenhang mit Fig. 1 gegebene Definition eines "Energiewandlungs-Getriebes" kann hier auch von einem hydraulischen Getriebe, mit dem Plungerkolben 216, dem Federelement 208 und dem Druckfluidmedium als Getriebeelemente, gesprochen werden.

Während die in Fig. 2a gezeigte Anordnung bis hierher als ein Federsystem zur Umwandlung einer von außen über eine Bewegung zugeführten Energiemenge in eine im deformierten Federelement gespeicherten Energiemenge - und umgekehrt - interpretiert wurde, kann man die gleiche Anordnung auch für eine etwas andersartige Aufgabe einsetzen, wobei die im Federelement gespeicherte Energie von einer anderen Energiequelle bezogen wurde, z.B. durch Zuführung eines Druckfluidstromes durch die gestrichelt angedeutete, konzentrisch zur Achse 234 angeordnete Bohrung 240. In diesem Falle könnte das Kraftübertragungsorgan 216 z.B. ein Spannkolben zum Festspannen eines Werkstückes sein und die von dem Federelement 208 bei seiner Entspannung abgegebene Nutzenergie würde im Falle einer durch das Kraftübertragungsorgan 216 notwendigerweise auszuführenden Nachspannbewegung zur Aufrechterhaltung der Spannkraft und/oder zur Kompensation von durch Hydrauliköl-Leckage am Dichtelement 238 entstandenen Spannkraftverlust eingesetzt. Der als Energieverbraucher fungierende "Spannkolben" 216 könnte aber auch an ganz anderer Stelle sitzen und lediglich über einen hydraulischen Kanal mit dem Druckraum 214 verbunden sein.

In den Fig. 3a und 3b werden Federsystem- Konstruktionen mit einer Polygonform als Querschnittsform der Federelement-Wickelkörper vorgestellt. Die im queraxialen Schnitt dargestellten Anordnungen könnten etwa in einem Federsytem gemäß Fig. 2a untergebracht sein, und die queraxialen Schnitte könnten durch eine Schnittführung gemäß dem Schnitt II-II in Fig. 2a entstanden sein.

Fig. 3a zeigt einen dreieckförmigen Stützkörper 300 mit als Stützflächen dienenden abgerundeten Ecken 302 und mit einem auf den Stützflächen aufsitzenden, als Federelement dienenden polygonförmigen Wickelkörper 304, auf welchem wiederum ein kreisringförmiger Wickelkörper 306 angeordnet ist. Über eine mittige Bohrung 308 und über Verbindungskanäle 314 kann den Druckräumen 310 ein Druckfluidmedium zugeführt werden. Die Druckräume 312 können über in Stirnwänden angebrachte Öffnungen 316 ebenfalls mit einer Druckfluidquelle verbunden sein.

Mit der in Fig. 3a gezeigten Anordnung kann das Federelement 304 wahlweise in zwei unterschiedlichen Weisen deformiert werden. Bei Druckbeaufschlagung des Druckraumes 310 erfolgt eine Dehnung nach außen und bei einer Druckbeaufschlagung des Druckraumes 316 erfolgt eine Dehnung nach innen.

In Fig. 3b ist ein dreieckförmiger Stützkörper 300 mit als Stützflächen dienenden abgerundeten Ecken 352 versehen, auf welchen ein als Federelement dienender polygonförmiger Wickelkörper 354 aufsitz. In Bohrungen 364 des Stützkörpers sind Kolben 360 angeordent, welche durch Druckbeaufschlagung eines in dem Druckraum 358 vorhandenen Druckfluidmediums radial nach außen gepreßt werden können, wobei sie ihre Preßkraft über Druckstücke 362 auf die Wandungen des Wickelkörpers 354 übertragen und diesen dabei elastisch deformieren.

Die polygonförmig gewickelten und angeordneten Federelemente der Fig. 3a und 3b bieten besondere Vorzüge:

• - Durch die Ausnutzung des "Wäscheleineneffektes" kann die Dehnung der Federelement-Wandungen mit relativ geringen Hydraulikdrücken in den Druckräumen 310, 312 bzw. mit relativ geringen Kräften in den Kolben 360 bewirkt werden.
• - Man erhält oftmals gewünschte progressive Federkennlinien.
• - Die Federelemente leiten an den Polygonecken über die Stützflächen resultierende Kräfte als Stützkräfte in die Stützkörper und der Festsitz auf den Stützkörpern bleibt auch bei den maximalen Federdeformationen erhalten. Diese Eigenschaft ist von erheblicher Bedeutung bei solchen Anwendungsfällen, wo das Federelement an einer umlaufenden Welle konzentrisch zur Wellenachse 318, 366 angeordnet ist und wo extreme Anforderungen an Spielfreiheit und gutes Unwuchtverhalten der umlaufenden Bauteile gestellt werden.
• - Die über Stützflächen in den Stützkörper eingeleiteten resultierenden Kräfte können zur Deformation des Stützkörpers eingesetzt werden, womit dieselben zusätzlich noch zur Speicherung von Deformationsenergie eingesetzt werden können.

In Fig. 4 wird ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Federsystems gezeigt, bei welchem die Vorteile der Erfindung in besonderer Weise in Erscheinung treten. Es handelt sich um den Einsatz eines hydraulisch betriebenen Federsystems - etwa nach den Merkmalen der in Fig. 2a gezeigten Anordnung - in Zusammenarbeit mit einem hydraulischen Spannkraftaggregat zur Kraftbetätigung von Werkstückspannmitteln mit Durchgangsbohrung an schnellaufenden Drehmaschinen.

In einem Spindelstock 400 ist über Wälzlager 402, 402′ eine hohle Spindel 462 mit dem Spindelkopf 404 gelagert. Der Antrieb der Spindel um die Spindelachse 466 erfolgt in bekannter Weise über einen in der Rille einer Keilriemenscheibe 418 laufenden Keilrimen 420. Ein Zugrohr 406 ist in beiden Achsrichtungen 408, 410 in der Spindel verschiebbar und wird von einem hydraulisch angetriebenen, doppeltwirkenden Hohlkolben 464 betätigt. An das Zugrohr angeschlossen ist eine Zug-Spannzange 412 mit durch Schlitze erzeugten Spannsegmenten 414, welche ein stangenförmiges Werkstück 416 gespannt halten. Über einen Zentrierbund ist mit der Riemenscheibe ein Grundkörper 422 verbunden, welcher durch eine innere Zylinderbohrung zusammen mit dem Hohlkolben 464 und dessen Kolbenkragen 426 zwei Zylinderräume 424 und 428 bildet.

In einer Umfangsausnehmung 468 des Grundkörpers 422 ist ein als Federelement wirkender Wickelkörper in Polygonform untergebracht, welcher, ähnlich wie in Fig. 3a dargestellt, auf entsprechenden Stützflächen (302 in Fig. 3a) spielfrei aufsitzt und zusammen mit entsprechenden Ausnehmungen im Grundkörper Druckkammern 430 (ähnlich 310 in Fig. 3a) bildet. Die Abdichtung der mit Hydrauliköl gefüllten Druckkammern kann nach einem der im Zusammenhang mit den Fig. 2a bis 2c geschilderten Dichtverfahren geschehen. Die Druckkammern 430 sind über Verbindungskanäle 434 mit dem Zylinderraum 424 verbunden, und außerdem über Verbindungskanäle 436 mit einer im Flansch 444 untergebrachten Anschlußstelle 470, an welcher der Verbindungskanal durch ein (entsperrbares) Rückschlagventil nach außen abgeschlossen ist.

Ein in einem stationären, mit dem Spindelstock (auf nicht dargestellte Weise) verbundenen Halterungsteil 438 radial zur Spindelachse 466 hin verschieblich gelagertes Kupplungsteil 440 ist mit einer stationären (nicht dargestellten) Druckquelle verbunden. Während des Stillstandes der Spindel kann in einer bestimmten Winkelstellung der Spindel durch eine radiale Bewegung des Kupplungsteiles 440 eine vorübergehende Verbindung zwischen dem Verbindungskanal 436 und der Druckquelle geschaffen und ein Volumenaustausch vorgenommen werden.

Auf diese Weise kann z.B. eine erstmalige Spannbewegung des Zugrohres in Richtung des Pfeiles 408 zur Einspannung eines Werkstückes 416 vorgenommen werden. Nach erfolgter Anlage der Spannsegmente 414 der Zug-Spannzange 412 am Werkstück 416 wird dem Federsystem ein weiterer Hydrauliköl-Volumenstrom über den Verbindungskanal 436 zugeführt, dessen Energie in die Verformungsenergie des Federelementes 432 umgewandelt wird, so daß nach der Abkopplung des Kupplungsteiles 440 ein auch bei der Drehung der Spindel und Bearbeitung des Werkstückes verfügbares Energiereservoir zur Verfügung steht. Mit diesem Energiereservoir kann auch bei einem notwendigen Nachspannvorgang oder bei etwaig an den Dichtungen auftretenden Leckageverlusten die Spannkraft aufrechterhalten werden.

Für den Fall, daß das Werkstück 416 eine Werkstoffstange darstellt, von welcher - durch einen entsprechenden Stangenvorschub unterstützt - mehrere Werkstücke gefertigt werden sollen, ist es wünschenswert, daß ein entsprechender Stangenvorschub auch während der Drehung der Spindel vorgenommen werden kann. Zu diesem Zwecke braucht das Spannrohr 406 jedoch nur um einen kleinen Betrag in Richtung des Pfeiles 410 verschoben zu werden.

Um diese kleine Entspannbewegung während der Spindeldrehung durchführen zu können, ist vorgesehen, den Zylinderraum 428 unter einen hydraulischen Druck zu setzen, welcher durch axiale Verschiebung mehrerer im Grundkörper 422 untergebrachte Verdrängerkolben 450 in ihren Bohrungen 488 erzeugt wird.

Auf einem zylindrischen Fortsatz 452 des Grundkörpers 422 ist in axialer Richtung gleitbeweglich eine als Wälzlagerinnenring ausgebildete Buchse 454 angeordnet, in welcher die Verdrängerkolben 450 befestigt sind. Die Axialverschiebung der Verdrängerkolben wird primär durch eine Axialverschiebung eines stationär gelagerten Wälzlageraußenringes 456 verursacht, welcher die Verschiebebewegung in beiden Richtungen des Pfeiles 460 von einem Organ 458 einer (nicht dargestellten) Antriebseinrichtung erhält, welche sich ihrerseits kräftemäßig gegen den Spindelstock 400 abstützt.

Durch die zuvor beschriebene Entspannbewegung wird ein kleiner Volumenstrom mit Hydrauliköl vom Zylinderraum 424 in die Druckräume 430 verdrängt und führt dort (vorübergehend) zu einer Vergrößerung der Deformation des Federelementes 432. Um die Lagerkräfte klein zu halten, ist vorgesehen, das durch die Verdrängerkolben 450 zu verdrängende Volumen aus dem Produkt kleiner Kolbenquerschnitte und langer Verdrängerwege entstehen zu lassen.

Die an sich bereits enormen Vorteile des erfindungsgemäßen Federsystems kommen mit Rücksicht auf die für die Anordnung gemäß Fig. 4 vorgegebene spezielle Aufgabenstellung mit den nachfolgend benannten Merkmalen zu besonderer Geltung:

• - Da für den Spannantrieb bereits ohnehin der Einsatz des Druckfluidmediums Hydrauliköl vorgesehen ist, erfordert das hydraulisch betriebene Federsystem nur noch wenig Mehraufwand. Da die Wandungen der Druckkammern 430 durch anderweitig notwendige Bauelemente gebildet werden können, benötigt das Federsystem praktisch nur noch das - geringe - Bauvolumen für das ringförmige Federlement, welches sich zudem noch - bedingt durch die Ringform - gut in die für andere Aufgaben benötigte Bauteile integrieren läßt.
• - Wie aus der weiter hinten aufgeführten Tabelle 2 zu entnehmen ist, beinhaltet das vorzugsweise aus GFK, SFK oder CFK gefertigte Federelement 432 trotz seines enormen Energiespeichervermögens nur eine geringe Masse im Vergleich zu alternativen bekannten Federsystemen. Dieser Gesichtspunkt ist besonders für schnellaufende Spindeln von großem Interesse.
• - Auch bei beliebigen Deformationszuständen des Federelementes bleibt dasselbe spielfrei und unwuchtfrei relativ zu dem Grundkörper 422 angeordnet.
• - Die entstehende progressive Federkennlinie ist erwünscht.
• - Die Kombination der ermöglichten Abschaltbarkeit der Energiezufuhr von stationären Organgen zu mit der Spindel umlaufenden Teilen während der Spindeldrehung zusammen mit dem neu geschaffenen großen mitumlaufenden Energiereservoir ermöglicht erst den sonst nicht praktikablen Einsatz von Hochdruckhydraulik (z.B. 400 bar), welche durch ihre extrem hohe Energiedichte einen erneuten Beitrag zur kleinvolumigen Bauweise des Spannkraftaggregates liefert.

Die mit der Erfindung ermöglichte Kombination von Hochdruckhydraulik und großem mitumlaufendem Energiereservoir kommt nicht nur Spannanordnungen gemäß der Fig. 4 zugute, sondern sie ist generell für alle an umlaufenden Spindeln, speziell Werkzeugmaschinenspindeln, benötigten Spannfunktionen einsetzbar, wie z.B. zum Spannen von Werkstücken mit beliebigen Spannmitteln oder zum Spannen von Werkzeugen.

Auch für das Spannen von (automatisch wechselbaren) Werkstückspannmitteln und Werkzeugspannmitteln und bezüglich der Konstruktion von Vorderendfuttern können mit der erfindungsgemäßen technischen Lehre ganz neue Wege gegangen werden.

Fig. 5 zeigt ein Federsystem mit einem Wälzkörper- Keilgetriebe, welches als eine Weiterentwicklung des Federsystems nach Fig. 1 betrachtet werden kann. Durch den Einsatz einer Wälz-Führung anstelle einer Gleitführung werden Energieverluste durch Reibung auf ein Minimum reduziert und es können große Federhübe bei sehr kleinem Keilwinkel erzeugt werden. Die Schnittdarstellung der Fig. 5a folgt der Schnittführung C-C in Fig. 5b.

Das eigentliche Federelement ist in Fig. 5 als polygonaler Wickelkörper 500 mit 3 "Ecken" ausgebildet. Die zur Dehnung der Fasern in ihrer Längsrichtung aufzubringenden Kräfte werden über die Abstützflächen 504 dreier Abstützkörper 502 mit einer Wirkrichtung quer zu den Faserachsen in den Wickelkörper 500 eingeleitet. Die Dehnung der Fasern erfolgt synchron zu einer entsprechenden Radialbewegung der Abstützkörper 502 in Richtung der Pfeile 506.

Die über die Abstützkörper 502 in den Wickelkörper 500 eingebrachten Kräfte können durch die resultierenden Abstützkräfte 508 gekennzeichnet werden, welche ihrerseits wieder als vektorische Summe zweier gleichgroßer Keilkräfte 510 entstehen. Die Keilkräfte 510 werden durch je 2 zylindrische Wälzkörper 512 übertragen, welche sich ihrerseits gegen den dreifach vorhandenen Doppel-Stützkörper 514 abstützen. Die drei Doppel-Stützkörper 514 sind mit Schrauben 516 an einem zentrisch zur Mittenachse 518 angeordneten Hohlzylinder 520 befestigt, welcher einen Flanschteil 546 aufweist, mit welchem er z.B. an einen anderen Körper angeschlossen werden kann. Der Doppelstützkörper 514a ist als eine später noch zu erläuternde Variante ausgebildet, er könnte jedoch auch gleichzeitig wie die Teile 514 ausgebildet sein.

Wie aus Fig. 5b zu ersehen ist, können die Wälzlager 512 in einer Richtung parallel zur Mittenachse 518 auf am Abstützkörper 502 bzw. am Doppel-Stützkörper 514 vorhandenen Wälzbahnen 522 bzw. 524 abgewälzt werden. Die Wälzbahnen sind derart ausgebildet, daß sie in Bezug auf eine durch die Mittenachsen 526 und 526a definierbaren Ebene unterschiedliche Neigungen aufweisen, wodurch Wälzbahn-Mulden gebildet werden, in deren Scheitelpunkten die Wälzkörper ruhen, solange das Federsystem nicht aus seiner (dargestellten) Ruhelage ausgefedert ist.

Die Absützkörper 502 verfügen jeweils über einen eingeschraubten Bolzen 528 mit einer Ringnut 530, in welche die durch radial verlaufende Langlöcher 532 gebildeten Schultern eines Kraftübertragungsringes 534 hineinragen. Das Kraftübertragungsorgan erfüllt die Aufgabe, konzentrisch zur Mittenachse 518 eingeleitete äußere Federkräfte F bzw. F′ bzw. auch entsprechende Federbewegungen f bzw. f′ über die Bolzen 528 symmetrisch auf die Abstützkörper 502 zu übertragen. Die Langlöcher 532 ermöglichen dabei eine Radialverlagerung der Bolzen 528, die denselben von den radial verlagerten Abstützkörpern 502 mitgeteilt wird.

Eine Federdeformation des Federelementes 500 bzw. ein äußerer Federweg f, f′ kommt zustande, sobald das Federsystem mit in die Bauteile 546 und 534 eingeleiteten äußeren Kräften F (Druck) bzw. -F′ (Zug) belastet wird. Sofern das Federelement 500 bereits in der (gezeigten) Ruhelage des Federsystems unter einer Vorspannung steht, müssen die äußeren Kräfte F bzw. F′ zunächst eine bestimmte Kraftschwelle übersteigen, bevor eine Relativbewegung der Abstützkörper 502 einerseits und der Doppel-Stützkörper 514 andererseits eintritt. Mit Beginn der Relativbewegung wälzen sich die Wälzkörper 512 gleichzeitig auf beiden Wälzbahnen 522, 524 ab und bewirken entsprechend den Steigungen der beiden Wälzbahnen eine synchrone Radialbewegung 506 an allen 3 Abstützkörpern 502.

Das Federsystem nach Fig. 5 kann in mehrfacher Weise vorteilhaft variiert werden: Die Steigungen der Wälzbahnen 522, 524 können über die Länge der Wälzbahnen gesehen beliebig veränderlich sein, z.B. auch den Wert Null oder einen negativen Wert annehmen. Damit lassen sich auch beliebige Feder- Kennlinien realisieren. Anstatt Wälzkörper mit zylindrischem Querschnitt könnte man auch solche mit veränderlichem Wälzradius einsetzen. Ähnlich wie in Fig. 6 gezeigt, könnte der Kraftfluß-Weg der äußeren Kräfte F, F′ auch derart gestaltet werden, daß die äußeren Kräfte nicht über die Abstützkörper 502 geleitet werden müßten. Anstatt 3 "Ecken" könnte das Polygon des Federelementes 500 auch mehr Ecken oder auch lediglich 2 Ecken aufweisen. Man kann die Federenergie auch in das Federsystem eingeben oder dem Federsystem entnehmen, indem man die parallel zur Mittenachse 518 gerichtet wirkenden äußeren Kräfte F, F′ durch um die Mittenachse 518 drehende Drehmomente M bzw. M′ ersetzt. Für diesen Fall hat man sich die Wälzbahnen 522, 524 - ähnlich wie bei einem radial wirkenden Rollen-Wälzlager - um die Mittenachse 518 herum angeordnet, jedoch mit veränderlicher Krümmung versehen, vorzustellen.

Federsysteme gemäß der Anordnung nach Fig. 5 sind für beliebige Zwecke vorteilhaft einsetzbar. Ein möglicher besonderer Einsatzfall ergibt sich mit der Integration eines Federsystems in ein Spannkraftaggregat zur Kraftbetätigung von Werkstückspannmitteln an Werkzeugmaschinenspindeln. Ein Spannkraftaggregat für den gleichen Zweck wurde bereits anhand der Fig. 4 beschrieben, wo ein erfindungsgemäßes Federelement mit einem hydraulischen Energiewandlungs-Getriebe zusammenarbeitet.

Zwar kann auch ein Federsystem gemäß der Fig. 5 zusammen mit einem hydraulischen Getriebe zur Speicherung von Spannenergie sinnvoll eingesetzt werden, doch bietet sich der Einsatz dieses Federsystems besonders für derartige Spannaggregate an, die ohne mit der Spindel mitumlaufende hydraulische Mittel arbeiten.

Ein derartiges Spannkraftaggregat ist beispielsweise die in Fig. 1 oder 4 der DE-PS 37 27 445 gezeigte Vorrichtung. Hier arbeitet in Fig. 1 der mitumlaufende Spannkraftspeicher 18 als Federsystem mit Tellerfedern 20, und die Einleitung der äußeren Kräfte in das Federsystem geschieht über die Teile 22 und 34. Der Spannkraftspeicher 18 könnte unmittelbar ersetzt werden durch die Anordnung nach Fig. 5 der vorliegenden Erfindung, wenn man in Fig. 1 der DE-PS 37 27 445 die Kraftübertragungsteile 22 bzw. 34 ersetzt durch die Teile 520 bzw. 528 der Fig. 5 gemäß der Erfindung.

Wie die geschilderte Austauschbarkeit zeigt, eignet sich ein Federsystem nach der Erfindung auch gut zur Verwendung in an Spindeln umlaufenden Spannaggregaten in der Kombination mit einem mitumlaufenden Schraubtrieb zur Erzeugung einer Spannbewegung und/oder zur Erzeugung einer Bewegung zur Einführung der zu speichernden Spannenergie in das Federsystem.

Speziell für die Verwendung in Spannkraftspeichern von Spannkraftaggegaten an umlaufenden Spindeln weist ein Federsystem nach Fig. 5 noch zusätzliche Vorteile auf: Die räumliche Lage der Wälzbahnen 522, 524 kann derart eingestellt werden, daß die Keilkräfte 510, 511 zweier benachbarter "Ecken" des polygonen Wickelkörpers 500 im wesentlichen oder auch exakt in der gleichen Wirkungsebene liegen, so daß sie sich gegenseitig aufheben, ohne ein Biegemoment zu erzeugen. Dies hat z.B. zur Folge, daß der Hohlzylinder 520 keinerlei Deformationen erleiden muß, weshalb er auch integraler Bestandteil einer (präzis gelagerten) Werkzeugmaschinenspindel sein könnte.

Ein Federsystem gleich oder ähnlich der Anordnung nach Fig. 5 kann absolut spielfrei betrieben werden, was der Forderung nach einer möglichst geringen Unwucht sehr zugute kommt.

Die Abstützkörper 502 bewirken durch die durch sie erzeugten Fliehkräfte eine geringe Minderung der vom Federsystem nach außen abgegebenen Federkräfte F, F′. Es können radial bewegliche Fliehkraftkörper 536 (nur einer von 3 symmetrisch anzuordnenden ist in Fig. 5a gezeigt) vorgesehen werden, welche mit ihrer Kopffläche die Fliehkraft auf das Federelement 500 übertragen und dieses damit nach außen drücken. Wegen des dabei auftretenden "Wäscheleinen-Effektes" können mit nur sehr geringen Radialkräften hohe zusätzliche Kräfte in Längsrichtung der Fasern des Federelementes erzeugt werden.

Mit derartig eingebrachten Zusatz-Federkräften können nicht nur die Fliehkräfte der Abstützkörper 502 wieder kompensiert, sondern auch die Federkräfte F, F′ zusätzlich noch vergrößert werden, und zwar proportional zum Quadrat der Drehgeschwindigkeit des Federsystems um die Mittenachse 518. Eine derartige Kraftzunahme ist bei Spannkraftaggregaten sehr erwünscht, da an diese in vielen Fällen solche Spannmittel angeschlossen sind, bei welchen eine durch am Spannmittel auftretende Fliehkräfte bedingte Reduzierung der Spannkraft bei Drehung der Spindel auftritt.

In Fig. 6 wird ein Federsystem mit einem Keilgetriebe mit Gleit-Führungsbahnen gezeigt. Auch dieses Federsystem kann als eine Weiterentwicklung des Federsystems nach Fig. 1 betrachtet werden. Im Gegensatz zu Fig. 1 ist das als Wickelkörper ausgebildete Federelement 600 in Fig. 6 jedoch nicht als Gleitführungs-Partner beteiligt.

Zwischen den beiden Doppelkeilen 602 und 604, welche die äußeren Federkräfte F_F in das Federsystem einleiten, und dem Federelement 600 befinden sich zwei Spreizkörper 606 und 608, welche die durch das Keilgetriebe erzeugten Keilkräfte F_K auf die halbkreisförmigen Innenwände 610, 612 des Federelementes 600 übertragen. Im Beispiel der Fig. 6 ist das Federsystem zwischen zwei Körpern 614, 616 eingespannt, wobei man sich beispielsweise Körper 616 als Teil eines Bauwerkfundaments und Körper 614 als Teil einer Maschine vorstellen kann, welche das Federsystem mit der Gewichtskraft F belastet und welche durch das Federsystem schwingungsisoliert aufgestellt sein soll.

Um den tribologischen Erfordernissen besser entsprechen zu können, sind die Gleitflächen 618, 620 bzw. 622, 624 der Doppelkeile 602, 604 bzw. Spreizkörper 606, 608 durch besondere Gleitführungs-Organe 626, 628 bzw. 630, 632 gebildet, welche an den Gleitflächen über einen niedrigen Reibungskoeffizienten µ verfügen, um die Energieverluste durch Reibung nicht zu groß werden zu lassen. Dabei können die Gleitführungs-Organe selbst, spezielle, reibungsmindernde Gleitwerkstoffe sein, z.B. mit Anteilen von Chemie-Werkstoffen (z.B. PTFE) und bevorzugt derart konstruiert, daß Stick-Slip-Erscheinungen reduziert oder völlig eleminiert sind. Im Grenzfall können die Gleitführungs-Organe auch durch Gleit-Beschichtungen ersetzt sein, wobei z.B. auch Hartstoff-Beschichtungen in Frage kommen.

Es wird weiterhin vorausgesetzt, daß auch zwischen den Innenwänden 610, 612 des Federelementes 600 und den entsprechenden Berührungsflächen der Spreizkörper 606, 608 Verhältnisse vorherrschen, welche einen niedrigen Reibungskoeffizienten garantieren, damit auch in diesen Bereichen die Längsdehnung der Fasern des Federelementes möglichst ungehindert stattfinden kann.

Man könnte sich auch vorstellen, daß der in Fig. 6a gezeigte Schnitt ein Schnitt durch ein rotationssymmetrisch geformtes Federsystem mit einem vieleckig gestalteten Federelement 600 dargestellt, wobei eine Vielzahl von symmetrisch auf dem Umfang verteilten Gleitflächen 618 mit entsprechend vielen Spreizkörpern 606 vorhanden sind.

Die Einsatzmöglichkeiten für Federsysteme entsprechend oder ähnlich der Anordnung gemäß der Fig. 6 sind vielfältig. Beispielsweise könnten sie auch in Spannkraftaggregaten an Maschinenspindeln eingesetzt werden, ähnlich, wie dies für die Anordnung nach Fig. 5 geschildert wurde.

Eine besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit für Federsysteme der zuvor beschriebenen Bauart ergibt sich für solche Einsatzfälle, wo bei sehr hohen Federkräften gleichzeitig auch große Federwege erforderlich sind, was gleichzusetzen ist mit der Aufnahme von sehr großen Mengen gespeicherter Federenergie.

Für ein als Hohlzylinder gewickeltes erfindungsgemäßes Federelement, z.B. für das Federelement 208 in Fig. 2a, welches (wie in Fig. 2a vorgesehen) mittels eines hydraulischen Druckes p gleichmäßig radial und federelastisch mit der Dehnungsrate ε gedehnt wird, ergibt sich für die gespeicherte Federenergie eine Energiemenge E_s, welche in guter Annäherung mit der Formel

E_s = L × D² × π/4 × p × ε

beschrieben werden kann. Hierin bedeutet D der mittlere Durchmesser des Hohlzylinders und L die Zylinderhöhe.

Man erkennt, daß die speicherbare Energie E_S mit dem Quadrat des Durchmesser D wächst.

Bei einem Federsystem mit einem mit Friktion arbeitenden Keilgetriebe ist mit vom Keilwinkel abhängigen, unter Umständen sehr erheblichen Energieverlusten durch Friktion zu rechnen, und bei sehr kleinen Keilwinkeln besteht sogar die Gefahr der Selbsthemmung. Das Minimum der Verlustenergie E_V wird erreicht bei einem Keilwinkel (β in Fig. 6a) von 45°. Wegen der geringen Dehnung ε der in Frage kommenden Faser-Werkstoffe und wegen der in der Praxis meistens auftretenden Forderungen nach großen Federhüben H des nach außen wirkenden Kraftübertragungsorgans ( =Doppelkeil 602 in Fig. 6a), wird der optimale Keilwinkel 45° in der Regel bei weitem nicht erreicht, so daß man in diesen Fällen versuchen wird, den Winkel β durch irgendwelche konstruktiven Maßnahmen so groß wie möglich zu machen.

Bei einem vorgegebenen Federhub H ist die Größe des erreichbaren Keilwinkels β proportional zu dem Produkt ε × D. Man erkennt, daß der zu wählende Durchmesser D des Federelementes ganz entscheidend die Größe der Verlustenergie E_V bestimmt. Aus der Bedeutung des Durchmessers D für die speicherbare Energie E_s und die Verlustenergie E_V erkennt man auch, daß ein Federsystem mit Keilgetriebe mit Gleitreibung seine Funktions-Güte mit wachsendem Durchmesser D verbessern kann, weshalb es sich besonders gut eignet für die Erfüllung der gleichzeitig auftretenden Forderungen nach möglichst großer speicherbarer Energie E_S und nach einem großen Federhub H. In dem Durchmesser D verbirgt sich bei der Formel für E_S auch noch die Berücksichtigung der maximal zulässigen Flächenpressung p, die auf die Innenwand des Federelementes ausgeübt wird (in Fig. 6 z.B. durch Spreizkörper 606), und die in erster Linie durch die Eigenschaften des Matrix-Werkstoffes bestimmt ist. Die real erzeugte Flächenpressung p (z.B. in Fig. 6b an der Stelle 612) verhält sich umgekehrt proportional zum Durchmesser D.

Einen speziellen Einsatzfall für erfindungsgemäße Federsysteme mit Keilgetriebe und gleichzeitig großer speicherbarer Energie E_S und großem Federhub H stellen Federsysteme für die Schwingungsisolierung von Anlagen oder Bauwerken dar. Hohe Anforderungen werden besonders gestellt an Federsysteme für die Isolierung großer Bauwerke gegen Erdbebenerschütterungen, wo beispielsweise eine Belastbarkeit von 500 oder 1000 Tonnen pro Federsystem bei einem Federhub H von H = 100 mm bis 400 mm erwünscht ist.

Wie zuvor gezeigt wurde, ist die Größe der speicherbaren Energiemenge E_S proportional zur Größe der Dehnung ε und die Größe der Verlustenergie E_V ist umgekehrt proportional zum Wert der Dehnung ε. Es ist also anzustreben, ein Fasermaterial mit möglichst großer zulässiger elastischer Dehnung ε zu verwenden.

Die Erfindung will dabei auch den Umstand ausnutzen, daß für derartige Einsatzfälle, anders, als z.B. für dynamisch hochbelastete Fahrzeugfedern, für die Dimensionierung des Federelementes als zulässige Faserdehnung ε_F ein Wert nahe dem Wert ε_S für maximal zulässige ruhende Belastung der Fasern angesetzt werden darf. Aus diesem Grunde kommen bevorzugt Fasern mit einem kleinen Verhältnis von Bruchdehnung ε_B zu maximal zulässiger elastischer Dehnung ε_{el., max} bei gleichzeitig sehr hohem Zahlenwert für ε_{el. max} in Frage. Extrem gute Werte liegen hier vor bei Glasfasern, wo für E_B ein Grenzwert von wenigstens 0,04 und für den E-Modul wenigstens 73 000 N/mm² angesetzt werden können.

Die erfindungsgemäße Kombination von großem Durchmesser D mit den günstigen Werkstoff-Daten von Glasfasern führt zu sehr hohen, bauvolumenspezifischen Energiedichten, womit in erwünschter Weise sehr niedrige Eigenfrequenzen erreicht werden können, die mit herkömmlichen Federsystemen nicht realisierbar sind.

Die Anordnung nach Fig. 6 kann auch als ein Federsystem für den Einsatz bei der Schwingungsisolierung von Bauwerken angesehen werden, wobei es sich bei den äußeren Kräften F_F sowohl um horizontal als auch um vertikal wirkende Kräfte handeln kann. Um speziell für diesen Anwendungsfall bei der Aufnahme von Schwingungen in Richtung der Pfeile F_F das System, bzw. auch das zu schützende Bauwerk von Schwingungen in einer Richtung parallel zu den Pfeilen 636 zu entkoppeln, ist eine besondere Gleitschicht 638 mit niedrigem Reibungskoeffizienten vorgesehen, ebenso, wie für die Gleitflächen 618 bzw. 622. Damit die Gleitschichten auf Dauer hohe Flächenpressungen ertragen können, ist es bevorzugt, einen Werkstoff mit Anteilen des Chemie- Werkstoffes PTFE einzusetzen, wobei die Gleitschicht gleichzeitig mit einem Verstärkungsgewebe, z.B. mit einem Gewebe aus Glasfasern oder Bronze-Draht durchsetzt ist.

Um darüberhinaus eine weitere Verringerung der Friktionskräfte erreichen zu können, ist eine hydrostatische Entlastung vorgesehen. Hierfür ist im Doppelkeil 604 eine mit einem Dichtelement 642 abgedichtete Kammer 640 eingebracht, welche mit einem Druckfluid gefüllt und durch die Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Druckquelle unter hohen Druck gesetzt ist.

Als ein Vorteil für die Verwendung eines Federsystems gemäß der Fig. 6 zur Schwingungsisolierung von Anlagen oder Bauwerken ist die durch die an den Gleitflächen 618 bzw. 622 herrschende Friktion entstehende Verlustenergie E_V anzusehen. Die Verlustenergie trägt in gewünschter Weise zu einer Schwingungsdämpfung bei, die durch die Wahl der den Reibungskoeffizienten µ an dieser Stelle bestimmenden Werkstoffe in einem weiten Bereich gesteuert werden kann.

Zwecks Einsparung von Herstellungskosten können die Doppelkeile 602, 08630 00070 552 001000280000000200012000285910851900040 0002004013773 00004 08511604 und die Spreizkörper 606, 608 weitgehend aus Beton hergestellt sein.

Mit der nachfolgenden Tabelle 1 werden die Daten heute verfügbarer Werkstoffe und daraus abgeleitete Vergleichsfaktoren V und K für verschiedene, für die Fertigung von Federelementen nach der Erfindung infrage kommende Verbundwerkstoff gegenübergestellt. Die Werte für σ_{z, dyn} und ρ berücksichtigen einen etwa 65%igen Volumenanteil des Faserwerkstoffes in einer Epoxidharzmatrix. Die Werte für ε_{z, dyn} und σ_{z, dyn} sind gleichzeitig auch die dynamisch zulässigen maximalen Werte für eine Schwellbelastung mit 10⁷ Belastungszyklen. Die Größen der Faktoren V und K können zu Leistungsvergleichen der Faserwerkstoffe untereinander herangezogen werden. Vor allem aber drücken sie die mögliche Leistungssteigerung gegenüber konventionellen Federwerkstoffen aus.

Inwieweit die angestrebte weitere Leistungssteigerung infolge optimaler Werkstoffausnutzung durch überwiegende Zugbelastung des belastbaren Federelement-Querschnittes zusätzliche Leistungssprünge ergibt, kann nur anhand von praktischen Vergleichsbeispielen für eine bestimmte Aufgabe nachgewiesen werden.

Hierzu wird nachfolgend ein Vergleichsbeispiel für eine Aufgabenstellung gemäß einer Anordnung nach Fig. 4 gegeben. Die überraschenden Ergebnisse dieses Vergleiches sind jedoch sinngemäß auch auf andere Anwendungen von Federsystemen übertragbar.

Als Aufgabenstellung für die Anordnung nach Fig. 4 wird die bereits eingangs der Beschreibung aufgestellte Anforderung an ein Federsystem (für ein Backenfutter von 250 mm Durchmesser) für eine gespeicherte Energie von E_S = 300 Nm bei einem Kraftaufbau von 0 auf 6000 daN bei 10 mm Federhub am Zugrohr für eine Dauerbelastung von 10⁷ Zyklen herangezogen.

Für eine bisher mit einem bekannten Federsystem am günstigsten gehaltene Lösung mit Tellerfedern kommen bei optimaler Berücksichtigung auch aller anderen konstruktiven Forderungen 6 Tellerfedern 200 × 102 × 10 (mm) mit einer Masse von m = 10,5 kg und einem Volumen von V_R = 1395 cm³ in Frage.

Für ein in Fig. 4 dargestelltes, ringförmiges Federelement (432) können die Wandstärke h und die speicherbare Federenergie E_S berechnet werden zu:

h = p × d_m/2 × σ_{z, dyn} und

E_s = d_m² × L × p ×ε × π/4.

Das Volumen V_R und die Masse m des Federelementes sind in bekannter Weise zu ermitteln.

Bei angenommenen Werten für p = 40 N/mm², d_m = 154 mm und für den zuvor benannten Wert von E_S können die Parameter h, L, V_R und m mit Hilfe der in Tabelle 1 aufgeführten Größen für ε_{Z, dyn}, σ_{Z, dyn} und ρ für verschiedene Verbundwerkstoffe errechnet werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 festgehalten.

Zum Vergleich mit dem beschriebenen konventionellen Federsystem soll für das Federsystem nach Fig. 4 ein aus SFK hergestelltes Federelement herangezogen werden, dessen Parameter aus Tabelle 2 zu entnehmen sind.

Der Vergleich besagt, daß die konventionelle Lösung mit Tellerfedern Federelemente erfordert, welche ein

• -25 mal größeres Volumen und eine
• -133 mal größere Masse aufweisen.

Wie bereits weiter vorne im Anschluß an die Beschreibung der Fig. 4 erläutert wurde, können erfindungsgemäße Federsysteme vorteilhaft auch an mit Werkzeugmaschinenspindeln mitumlaufenden Spannmitteln eingesetzt werden. Dabei dient das Federsystem als ein in das Spannmittel integrierter Spannkraftspeicher. Mit derartig ausgerüsteten Spannmitteln lassen sich zwei besonders hervorzuhebende Betriebsarten realisieren:

• a) Betrieb als sogenanntes Vorderend-Spannmittel. Das Spannmittel, z.B. ein Dreibacken-Futter, verbleibt während des Werkstück-Wechsels an dem Spindelkopf und erhält die für die Durchführung von Spannbewegungen und für die Spannkraft-Sicherung benötigte Energie von ebenfalls in der Nähe des Spindelkopfes (stationär) angebrachten Kupplungsorgangen.
• b) Betrieb als Wechselfutter: In diesem Falle wird das Futter zur Durchführung eines Werkstück-Wechsels von dem Spindelkopf abgekoppelt und zu einer Lade-Entlade- Station transportiert, wo der eigentliche Werkstück- Wechsel vorgenommen wird.

Ein besonders vorteilhafter Einsatz eines Wechselfutters mit integriertem Spannkraftspeicher ergibt sich dann, wenn das Wechselfutter während der Spindelrotation gewechselt werden kann, wobei wertvolle Zeit zur Verzögerung und Beschleunigung der Spindeldrehung eingespart werden kann.

Um einen derartigen Betrieb durchführen zu können, wird in einer weiteren Ausbildung der Erfindung ein am Wechselfutter angeordneter Kupplungskörper vorgesehen, welcher mit dem Wechselfutter über ein Wälzlager verbunden ist. Dadurch bedingt, kann das Wechselfutter mittels des Kupplungskörpers an einen stationären Transport-Mechanismus gekuppelt und an die Spindel angeschlossen oder von der Spindel getrennt werden, während es selbst um seine Achse rotiert.

Es versteht sich, daß das Wechselfutter vor seinem Anschluß an die Spindel von einem stationären Antrieb auf die Spindel-Drehzahl beschleunigt wird. Etwaig durch Wälzlagerreibung entstehende Drehzahlabweichungen, bzw. auch eine vorgegebene relative Winkel-Positionierung zwischen Spindel und Wechselfutter können durch eine entsprechende, gesteuerte Korrektur der Drehgeschwindigkeit und des Drehwinkels der Spindel angepaßt bzw. eingestellt werden.

Für die laufende Erfassung der Drehgeschwindigkeit bzw. des Drehwinkels des Wechselfutters während seines Transportes sind am Wechselfutter Sensor-Markierungen vorgesehen, welche von entsprechend ausgebildeten und am Transport-Mechanismus befestigten Sensoren erfaßt werden können.

Die Erfindung schließt auch eine Sonderform des als Federelement dienenden Wickelkörpers mit ein, bei welcher eine Polygonform mit zwei Ecken in ein schlaufenförmiges Gebilde ausartet. Eine derartige Formgestaltung kann man sich erzeugt vorstellen, wenn bei einer langgestreckten Ausführungsform des Federelementes 600 in Fig. 6b bei Aufrechterhaltung eines endlichen Wertes für den Umschlingungs-Durchmesser D der Abstand Q über eine bestimmte Länge des Abstandes S den Wert Null, oder gar einen negativen Wert annimmt. Bei einer solchen Form kann dann zwar nicht mehr von einem Wickelkörper mit definierter Wickelachse gesprochen werden, das erfinderische Prinzip des über Endlos-Filamente gebildeten und in sich geschlossenen Kraftfluß-Weges bleibt aber erhalten.

Bei einer derartigen Ausführungsform müßte dann auch das Herstellungsprinzip "Wickeln der Filamente" durch das Herstellungsprinzp "Legen der Filamente" ersetzt werden. Die "definierbare Wickelachse" etwa eines zylindrischen Wickelkörpers wäre dann zu ersetzen durch zwei definierbare Umschlingungsachsen (644, 646 in Fig. 6b). Ein schlaufenförmiges Federelement auch mit einem Abstand Q = Null könnte beispielsweise in einem Federsystem gemäß der Anordnung nach Fig. 6 zum Einsatz gelangen.

Tabelle 1

Tabelle 2

Claims (53)

1. Federsystem für die Speicherung einer Energiemenge durch den Aufbau einer elastischen Federdeformation und für die Rückgabe einer Nutzenergiemenge beim Abbau der Federdeformation mit wenigstens folgenden Systemkomponenten:

• a) Ein oder mehrere Federelemente aus einem Material wenigstens mit Anteilen eines federelastischen Werkstoffes,
• b) Übertragungsmittel zur Übertragung der äußeren Kräfte bzw. Energiemengen in das Federsystem hinein und oder aus dem Federsystem heraus mit wenigstens einem bewegbaren Übertragungsorgan an der Systemgrenze zur Annahme oder Abgabe einer äußeren Kraft,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Federelemtent (500, 118, 600) einen Wickelkörper mit einer um eine definierbare Wickelachse (128, 518) gewickelten Wandung mit endlos aufgewickelten Filamenten eines Federwerkstoffes umfaßt, wobei durch die elastischen Deformationen in den Filamenten überwiegend in Richtung der Filamentachsen weisende innere Spannungen, und zwar im wesentlichen entweder nur Zugspannungen oder nur Druckspannungen erzeugt sind, wobei die inneren Spannungen von queraxial zu den Filamentachsen gerichteten, am Federelement (118, 500, 600) über Kontaktflächen (540, 116) angreifenden Übertragungskräften abgeleitet sind, und daß Energiewandlungsmittel bzw. Bewegungswandlungsmittel (106 /502, 512, 514) vorgesehen sind zur Umwandlung der durch das Übertragungsorgan (134/528, 534/520, 526) an der Systemgrenze (130) übertragenen Bewegung in kleinere Verlagerungsbewegungen des Federelementes wenigstens an dessen Kontaktflächen (540, 116), bzw. in umgekehrter Weise, zur Umwandlung von kleineren Verlagerungsbewegungen des Federelementes an den Kontaktflächen (540, 116) in eine größere Bewegung des Übertragungsorganes (134/52S, 534/520, 526).

2. Federsystem für die Speicherung einer Energiemenge durch den Aufbau einer elastischen Federdeformation und für die Rückgabe einer Nutzenergiemenge beim Abbau der Federdeformation mit wenigstens folgenden Systemkomponenten:

• a) Ein oder mehrere Federelemente aus einem Material wenigstens mit Anteilen eines federelastischen Werkstoffes,
• b) Übertragungsmittel zur Übertragung der äußeren Kräfte bzw. Energiemengen in das Federsystem hinein oder aus dem Federsystem heraus mit wenigstens einem bewegbaren Übertragungsorgan an der Systemgrenze zur Annahme oder Abgabe einer äußeren Kraft,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Federelement (208, 304, 432) einen Wickelkörper mit einer um eine definierbare Wickelachse (234, 318, 466) gewickelten Wandung mit endlos aufgewickelten Filamenten eines Federwerkstoffes umfaßt, wobei durch die elastischen Deformationen in den Filamenten überwiegend in Richtung der Filamentachsen weisende innere Spannungen, und zwar im wesentlichen entweder nur Zugspannungen oder nur Druckspannungen erzeugt sind, wobei die inneren Spannungen von im wesentlichen queraxial zu den Filamentachsen gerichteten und auf die durch den Wickelkörper (208, 304, 432) gebildeten Wandungen einwirkenden hydraulischen Kräften eines in einem hydraulischen Druckraum (214, 310, 430) eingeschlossenen Druckfluidmediums abgeleitet sind, wobei die der Einwirkung unterliegenden Wandungen mit in die Einschließungswandungen des Druckraumes einbezogen sind und durch die hydraulischen Kräfte zu im wesentlichen radial zur Wickelachse (234, 318, 466) verlaufenden elastischen Ausweichbewegungen gezwungen sind, und daß hydraulisch arbeitende Energieumwandlungsmittel bzw. Bewegungswandlungsmittel (210, 214, 216) vorgesehen sind zur Umwandlung der durch das Übertragungsorgan (216) an der Systemgrenze (232) übertragenen Bewegung in kleinere Ausweichbewegungen der Wandungen oder umgekehrt.

3. Federsystem für die Speicherung einer Energiemenge durch den Aufbau einer elastischen Federdeformation und für die Rückgabe einer Nutzenergiemenge beim Abbau der Federdeformation mit wenigstens folgenden Systemkomponenten:

• a) Ein oder mehrere Federelemente aus einem Material wenigstens mit Anteilen eines federelastischen Werkstoffes,
• b) Übertragungsmittel zur Übertragung der äußeren Kräfte bzw. Energiemengen in das Federsystem hinein und/oder aus dem Federsystem heraus,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Federelement (208, 304, 432) einen Wickelkörper mit einer um eine definierbare Wickelachse (234, 318, 466) gewickelten Wandung mit endlos aufgewickelten Filamenten eines Federwerkstoffes umfaßt, wobei durch die elastischen Deformationen in den Filamenten überwiegend in Richtung der Filamentachsen weisende innere Spannungen, und zwar im wesentlichen entweder nur Zugspannungen oder nur Druckspannungen erzeugt sind, wobei die inneren Spannungen von im wesentlichen queraxial zu den Filamentachsen gerichteten und auf die durch den Wickelkörper (208, 304, 432) gebildeten Wandungen einwirkenden hydraulischen Kräften eines in einem hydraulischen Druckraum (214, 310, 430) eingeschlossenen Druckfluidmediums abgeleitet sind, wobei die der Einwirkung unterliegenden Wandungen mit in die Einschließungswandungen des Druckraumes einbezogen sind und durch die hydraulischen Kräfte zu im wesentlichen radial zur Wickelachse (234, 318, 466) verlaufenden elastischen Ausweichbewegungen gezwungen sind, und daß die Übertragungsmittel wenigstens einen Energieübertragungskanal (212, 434) mit verschieblicher Druckfluidsäule umfassen zum Energieaustausch mit einem hydraulisch-mechanischen Energiewandler (216, 464).

4. Federsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiewandlungsmittel bzw. Bewegungswandlungsmittel (358, 364, 360, 362) nach dem Prinzip der hydraulischen Volumenverdrängung arbeiten.

5. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente dünne Drähte aus metallischem Federwerkstoff darstellen.

6. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente aus nichtmetallischen Werkstoffen bestehen und daß es sich um hochfeste Glas-, Kohlenstoff- oder Aramid- Filamente handelt.

7. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente zu Filamentbündeln zusammengefaßt sind.

8. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind und mit der Kunststoffmatrix einen Verbundwerkstoff bilden, wodurch das Federelement (118, 208, 304, 354, 432) als ein fester, jedoch elastischer Körper entsteht.

9. Federsystem nach Anspruch 1 oder 4, in Verbindung mit einem oder mehreren der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiewandlungsmittel bzw. Bewegungswandlungsmittel Keilgetriebe (100, 106, 132, 112, 114, 118/502, 512, 514/602, 604, 606, 608) beinhalten.

10. Federsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilgetriebe-Keilflächen als Gleitlager-Flächen (132/ 620, 622, 624) ausgebildet und mit einer reibungsmindernden Beschichtung versehen sind.

11. Federsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilflächen der Keilgetriebe (502, 512, 514) als Wälzbahnen (522, 524) ausgebildet sind, zwischen denen sich Wälzelemente (512) befinden, die auf den Wälzbahnen abwälzbar sind.

12. Federsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigungen der Wälzbahnen (522, 524) über ihre Längserstreckung gesehen veränderlich angelegt sind, wobei die Steigungen auch den Wert Null oder negative Werte aufweisen können.

13. Federsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß äußere Kräfte (F_F in Fig. 6a) in das Federsystem nur über solche Keilgetriebe-Organe (602, 604) des als Bewegungswandlungssystems fungierenden Keilgetriebes eingeleitet sind, deren Bewegung in Richtung der äußeren Kräfte (F_F) gerichtet ist.

14. Federsystem nach Anspruch 2 oder 3, in Verbindung mit einem oder mehreren der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (208, 304, 354, 432) einen Zylinderabschnitt mit im wesentlichen senkrecht zur Wickelachse (234, 318, 366, 466) und parallel zueinander angeordneten Stirnflächen darstellt und zusammen mit einem einteiligen oder mehrteiligen Wickelkörperträger (200, 300, 422) einen hydraulischen Druckraum (214, 310, 430) für ein Druckfluid bildet.

15. Federsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung des Druckfluids besondere Dichtelemente (226, 272, 280) vorgesehen sind.

16. Federsystem nach Anspruch 14 in Verbindung mit Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtflächen des Wickelkörpers und des Wickelkörperträgers und die besonderen Dichtelemente zur Aufrechterhaltung der Abdichtfunktion während einer aus der Federdeformation resultierenden, radial gerichteten Relativbewegung von Wickelkörper und Wickelkörperträger dynamische Dichtsysteme bilden.

17. Federsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (226) nicht ganzkörperlich an der Relativbewegung teilnimmt und den Wickelkörperzylinder stirnseitig abdichtet.

18. Federsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (272) analog zur Relativbewegung eine sich dem Dichtspalt anpassende Querschnittsumwandlung erfährt.

19. Federsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (280) ganzkörperlich an der Relativbewegung teilnimmt und den Wickelkörperträger (222) stirnseitig abdichtet.

20. Federsystem nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwandung des Wickelkörpers (208, 304, 432) über eine Querschnittsfläche parallel zur Wickelachse (234, 318, 466) gesehen im wesentlichen eine konstante Wandstärke (h) aufweist.

21. Federsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3 oder 5 bis 8 oder 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfluid eine hohe Viskosität aufweist und die Dichtsysteme ohne besondere Dichtelemente arbeiten.

22. Federsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3 oder 5 bis 8 oder 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfluid durch einen Elastomer-Werkstoff substituiert wird.

23. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Energieeingriffsmittel zur Beeinflussung der aufnehmbaren oder abgebbaren Kräfte, Energiemengen oder Leistungen vorgesehen sind.

24. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Verbindungsmittel (200, 202, 204/516, 520, 526) zur räumlichen Verbindung untereinander und zur Befestigung der einzelnen Funktionsträger-Verkörperungen vorgesehen sind.

25. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (118, 208, 304, 354, 432, 500, 600) in einem senkrecht zur Wickelachse (128, 234, 318, 366, 466, 518) stehenden Querschnitt eine Polygonform aufweist.

26. Federsystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (304, 354) in den Polygonecken auf Stützflächen (302, 352) eines Stützkörpers (300, 350) aufsitzt und daß der Stützkörper über die Stützflächen die aus der elastischen Deformation der Filamente abgeleiteten Stützkräfte übernimmt.

27. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch die Anwendung an umlaufenden Spindeln von Werkzeugmaschinen mit einer konzentrischen Anordnung von Wickelachse und Spindelachse, zur Speicherung von Energie für das Spannen von Werkstücken mit Kraftspannung, oder für das Spannen von Spannmitteln und Werkzeugen.

28. Federsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3 oder 5 bis 8 oder 14 bis 22, gekennzeichnet durch die Anwendung an umlaufenden Spindeln von Werkzeugmaschinen zur Speicherung von Energie für das hydraulische Spannen von Werkstücken, Werkzeugen oder Spannmitteln, wobei die Wickelachse konzentrisch zur Spindelachse angeordnet ist, und wobei der Wickelkörper in einem senkrecht zur Wickelachse geführt gedachten Schnitt eine Polygonform aufweist und in den Polygonecken belastungsunabhängig und spindeldrehzahlunabhängig auf Stützflächen (302) eines Stützkörpers (300, 422) aufsitzt.

29. Federsystem nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel einen mitumlaufenden hydraulischen Spannzylinder für die Kraftbetätigung von Werkstück- oder Werkzeugspannmitteln aufweist, und daß der Wickelkörper konzentrisch außenliegend zum Spannzylinder angeordnet ist.

30. Federsystem nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Druckraum des Federsystems (430) mit dem Zylinderraum (424) des hydraulischen Spannantriebs (464) ständig über einen Verbindungskanal verbunden ist, während eine Druckverbindung (436) mit einer stationären hydraulischen Druckquelle nur im Spindelstillstand über ein entsperrbares Absperrmittel (442) herstellbar ist.

31. Federsystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Spannantrieb über einen Doppelzylinder mit einem zweiten Druckraum (428) verfügt, welcher mit dem hydraulischen Ausgang eines ebenfalls mitumlaufenden mechanisch-hydraulischen Energiewandlers nach dem Volumenverdrängungsprinzip verbunden ist, wobei die eingangsseitigen Verdrängerkolben des Energiewandlers ihre energieübertragende Verschiebebewegung über den mit der Spindel mitumlaufenden Lagerring eines in axialer Richtung verlagerbaren Wälzlagers mitgeteilt erhalten und wobei der nicht mitumlaufende Lagerring mit dem Abtriebsglied einer stationär gelagerten Antriebseinrichtung gekoppelt ist.

32. Federsystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Ausgang des mitumlaufenden mechanisch- hydraulischen Energiewandlers alternativ auf den ersten Druckraum geschaltet ist.

33. Federsystem nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Druck in den Druckkammern (430) des Federelementes ein Hochdruck von mehr als 100 bar ist.

34. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem an einer umlaufenden Spindel einer Werkzeugmaschine angebracht und einem ebenfalls mit der Spindel mitumlaufenden Spannkraft-Aggregat als Spannkraftspeicher zugeordnet ist.

35. Federsystem nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannkraft-Aggregat einen Schraubtrieb zur Erzeugung einer Spannbewegung umfaßt und daß die Spannkräfte als äußere Kräfte über Übertragungsorgane (520/528, 534) des Federsystems in dasselbe eingeleitet sind.

36. Federsystem nach einem der Ansprüche 27 bis 29 oder 34 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beeinflussung der von dem Federsystem über die Systemgrenze hinaus abgegebenen äußeren Kräfte durch Einwirkung von durch die Spindeldrehung bedingten Fliehkräften an Organen des Federsystems vorgesehen ist.

37. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch eine Integration des Federsystems in ein an Spindeln von Werkzeugmaschinen umlaufendes Spannmittel für die Speicherung von Spannenergie und/oder für die Beeinflussung von Spannkräften durch von dem polygonförmig ausgeführten Federelement auf Abstützflächen in den Abstützecken übertragene Abstützkräfte.

38. Federsystem nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannmittel für eine Ankuppelung an die Spindel während der Spindelrotation vorgesehen ist, wofür das Spannmittel einen über ein Wälzlager mit ihm verbundenen Kupplungskörper aufweist, welcher Kupplungskörper als Verbindungsorgan zu einem stationär gelagerten Transport- Mechanismus eingesetzt ist.

39. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Radabfederung bei Fahrzeugen.

40. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem zur Isolation von Bauwerken oder Industrieanlagen gegen Schwingungsbewegungen vorgesehen ist.

41. Federsystem nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem zur Isolation von Bauwerken oder Industrieanlagen gegen Schwingungsbewegungen vorgesehen ist.

42. Federsystem nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem zur Isolation gegen Schwingungsbewegungen oder Setz- bzw. Aufrichterscheinungen des Bodenbereiches eingesetzt ist, auf dem die Bauwerke oder Industrieanlagen gegründet sind.

43. Federsystem nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsbewegungen von einem tektonischen Beben abgeleitet sind.

44. Federsystem nach einem der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß das als Bewegungswandlungs-System eingesetzte Keilgetriebe wenigstens zwei getrennte Keilkörper (602, 604) für die Übertragung der äußeren Kräfte (F_F in Fig. 6a) aufweist, welche Keilkörper in Richtung der äußeren Kräfte unabhängig von einander mit einer Relativbewegung relativ zum Federelement (600) bewegbar sind, und daß die gewandelte Bewegung über wenigstens zwei weitere Keilkörper (606, 608) in den Federkörper eingeleitet ist.

45. Federsystem nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper des Federelementes (600) in einem senkrecht zur Wickelachse stehenden Querschnitt eine Polygonform mit wenigstens zwei ausgeprägten Ecken aufweist.

46. Federsystem nach einem der Ansprüche 40 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung der Bauteile des Federsystems in Verbindung mit den zu übertragenden äußeren Kräften (F_F in Fig. 6a) auf eine Eigenfrequenz des Systems unterhalb von 1,5 Hz oder 1 Hz auslegbar ist.

47. Federsystem nach einem der Ansprüche 40 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß das System für eine äußere Kraft (F_F in Fig. 6a) von wenigstens 10⁶ Newton in Verbindung mit nur einem Federelement (600) ausgelegt ist.

48. Federsystem nach einem der Ansprüche 40 bis 47, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Federsystems an einer der beiden Systemgrenzen (614, 616) in einer Richtung senkrecht zur äußeren Kraft (F_F) ein Gleitlager (604, 638) vorgesehen ist, zur Entkoppelung des Federsystems von senkrecht zur äußeren Kraft (F_F in Fig. 6a) wirkenden Schwingungsbewegungen.

49. Federsystem nach einem der Ansprüche 40 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitflächen des Keilgetriebes (618, 620/622, 624) und/oder die Gleitflächen des Gleitlagers (604, 638) mit einer reibungsmindernden Gleitschicht versehen sind, bevorzugt unter Einsatz eines Gleitwerkstoffes mit Anteilen des Chemie-Werkstoffes PTFE.

50. Federsystem nach einem der Ansprüche 41 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (600) schlaufenförmig mit zwei Schlaufenenden ausgebildet und durch ein Fertigungsverfahren "Verlegen von Filamenten oder Filamentbündeln" hergestellt ist und daß anstelle einer einzigen definierbaren Wickelachse zwei Umschlingungsachsen (644, 646) an den Schlaufenenden definierbar sind.