DE4129245A1 - Schalenfeder - Google Patents

Description

Die Beschreibung betrifft eine Schalenfeder umfassend mindestens eine flache Federschale, einen den Rand der Federschale abstützenden Distanzring und einen Abwälzkörper, an dem die Federschale mit ihrer komvexen Seite anliegt.

Die DE-PS 37 03 483 beschreibt eine solche Schalenfeder als Schwingungsisolator. Eine kappenförmige, konvexe Federschale arbeitet mit einer Zwischenlage mit frequenzprogressivem Elastizitätsmodul zu­ sammen. Sowohl die Federschale als auch die Zwischenlage arbeiten mit Flächen gleicher Krümmung zusammen, wobei die Federschale eine stär­ kere Krümmung als die Zwischenlage hat, so daß sich die Federschale in gewissem Maße verformen kann. Allerdings bleibt die Federschale immer im Bereich konvexer Krümmung. Damit lassen sich die Trageigenschaften und Federeigenschaften einer Federschale nur unzureichend ausnutzen.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Schalenfeder mit einem sehr großen Arbeitsbereich, einem guten Dämpfungsverhalten für Schwingungen und einem großen Anpassungsbereich an konstruktive Randbedingungen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Federschale doppelt gekrümmt ist, daß der Abwälzkörper starr ist und auf der der Federschale zugewandten Seite eine konvexe Krümmung hat und daß die Federschale so ausgelegt ist, daß die Kraft- Verformungs-Kennlinie auch im Bereich verschwindender und konkaver Krümmung keinen Bereich negativer Steigung aufweist.

Die Erfindung unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als die Federschale und der Abwälzkörper mit konvexen Seiten aneinan­ der anliegen. Die Federschale kann sich an dem Abwälzkörper soweit abwälzen, daß die Federschale durch den Bereich verschwindender Krüm­ mung in eine konkave Krümmung übergeht. Durch die Ausbildung der Fe­ derschale läßt sich bei dieser Änderung der Krümmung ein instabiler Bereich vermeiden.

Die Erfindung nutzt das günstige räumliche Trag- und Verformungs­ verhalten doppelt gekrümmter Rotationsschalen. Bei zentrischem Lasteintrag in Richtung der Rotationsachse auf die konvexe Außenseite der flach gekrümmten Schale nehmen die Membrankräfte mit zunehmender Durchsenkung und abnehmender Schalenkrümmung ab, so daß die Biege­ kräfte verstärkt den Lastabtrag übernehmen. Bei verschwindender Krüm­ mung hat die Federschale eine im wesentlichen plattenförmige Gestalt, wobei der Lastabtrag ausschließlich durch Biegekräfte erfolgt. Dieser Zustand ist durch ein großes Verformungsvermögen der Federschale ge­ kennzeichnet. Bei weiterer Lastaufnahme geht die Federschale in eine konkave Krümmung über, wobei sich wieder Membrankräfte aufbauen, die eine entsprechende Zunahme der Tragsteifigkeit bewirken. Im Bereich verschwindender Krümmung wird somit eine Phase geringer Steifigkeit durchschritten. Der günstige Trageffekt der Schalenfeder basiert also auf einem hohen Arbeitsvermögen und Verformungsvermögen in dieser Pha­ se geringer Steifigkeit.

Zur Vergrößerung des Verformungsweges ist vorgesehen, daß Feder­ schalen mit entgegengesetzter Krümmung auf beiden Seiten eines Di­ stanzringes angeordnet sind und sich jeweils an einem Abwälzkörper abstützen.

Eine nochmalige Vergrößerung des Verformungsweges erreicht man dadurch, daß mehrere Federschalenpaare mit Abwälzkörpern aufeinander geschichtet sind.

Eine sehr günstige Abwälzung erhält man dadurch, daß zwischen benachbarten Federschalenpaaren je ein Abwälzkörper mit zwei konvexen Seiten angeordnet ist.

Zur Vergrößerung der Federsteifigkeit ist vorgesehen, daß inner­ halb einer Schalenfeder jeweils mehrere Federschalen gleicher Krümmung übereinander geschichtet sind. Bei Verformung bewegen sich die anein­ anderliegenden Flächen der Federschalen gegeneinander, so daß eine Reibung auftritt. Dieses führt zu einer Dämpfung von Schwingungen.

Eine kompakte Anordnung erzielt man dadurch, daß die Federscha­ len, die Distanzringe und die Abwälzkörper innerhalb eines aus mehre­ ren Abschnitten zusammengesetzen Führungszylinders angeordnet sind, wobei die Abschnitte des Führungszylinders teleskopartig ineinander verschiebbar sind.

Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug­ nahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, in denen darstellen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Schalenfeder,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Schalenfeder in unverformtem Zustand,

Fig. 3 einen entsprechenden Schnitt in verformtem Zustand,

Fig. 4 die Kraft-Verformungs-Kennlinie der Schalenfeder,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Schalenfeder,

Fig. 6 einen Axialschnitt durch ein Federschalenpaar in unverformtem Zustand,

Fig. 7 einen entsprechenden Axialschnitt in verformten Zustand,

Fig. 8 einen Schnitt durch ein Federschalenpaket in unverformtem Zustand,

Fig. 9 einen entsprechenden Schnitt in verformtem Zustand,

Fig. 10 einen Axialschnitt durch eine Federschalenanordnung in unverformten Zustand und

Fig. 11 einen enstprechenden Axialschnitt in verformten Zustand.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen das Grundelement einer Schalenfeder. Auf einem Distanzring 4 liegt der Rand einer Federschale 3 mit doppelter Krümmung auf. Die Federschale 3 hat eine Kalottenform. Auf der konve­ xen Seite liegt ein starrer Abwälzkörper 6 mit seiner konvexen Seite auf. Die Eigenschaften der Federschale 3 lassen sich im wesentlichen aufgrund des Durchmessers, des Schalenstichs f und der Dicke berech­ nen.

Die Kraft-Verformungs-Kennlinie ist in Fig. 4 dargestellt. In der Phase konvexer Krümmung wird die Last durch Biegekräfte und Membran­ kräfte abgetragen. Man hat einen progressiven Verlauf der Kennlinie. In der Phase des Nulldurchgangs oder verschwindender Krümmung verschwin­ den auch die Membrankräfte. Man kommt in einen regressiven Abschnitt der Kennlinie. Das Arbeitsvermögen ist in dieser Phase groß. In der Phase konkaver Krümmung bauen sich schließlich wieder Membrankräfte auf. Die Kennlinie nimmt wieder einen progressiven Verlauf an. Dieses ist für das Schwingungsverhalten sehr günstig.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine Einheit einer Schalenfeder. Die An­ ordnung ist innerhalb eines Führungszylinders 1 angeordnet und umfaßt zwei Federschalenpakete 2 aus einzelnen Federschalen 3. Jede Feder­ schale 3 eines Paketes ist kalottenförmig gekrümmt. Im einzelnen hat die Meridiankurve einen kreisförmigen, parabelförmigen oder andersar­ tig gekrümmten Verlauf.

Die beiden Federschalenpakete 2 sind durch einen Distanzring 4 festgehalten. Der Distanzring 4 weist einen innerer Ringsteg 5 auf, auf dem die Umfangsränder der Federschalen 3 aufsitzen. Die Federscha­ len 3 der beiden Federschalenpakete 2 weisen eine gegensinnige Krüm­ mung auf und stehen jeweils mit ihrer konvexen Außenseite der eben­ falls konvexen Außenseite eines Abwälzkörpers 6 gegenüber.

Der Abwälzkörper 6 besteht aus einem starren Werkstoff und ist scheibenförmig ausgebildet. Die Oberflächen der Abwälzkörper sind kon­ vex gekrümmt und weisen eine gekrümmte Meridianlinie auf. Fig. 6 zeigt ein Paar von Federschalenpaketen in unverformten Zustand. Durch eine statische oder dynamische Last wird das Federschalenpaket 2 gemäß Fig. 7 zusammengedrückt, wobei sich die konvexe Außenseite des Federscha­ lenpakets auf der konvexen Fläche des Abwälzkörpers 6 abwälzt und ver­ formt. Dadurch tritt einerseits eine Verformung und andererseits eine Vergrößerung der Auflagefläche auf, so daß man eine Kraft- Verformungs-Kennlinie des gewünschten Verlaufs erhält. Im Endzustand ändert sich die Krümmung der Federschalen in einem konkaven Verlauf gemäß Fig. 7. Die Federschalen können an der konvexen Fläche der Ab­ wälzkörper 6 vollständig anliegen. Die Federschalen sind so berechnet, daß beim Nulldurchgang der Krümmung eine negative Steigung der Kraft- Verformungs-Kennlinie vermieden wird, da dieses einen instabilen Zu­ stand darstellen würde.

Die Fig. 8 und 9 zeigen in schematischer Darstellung die gegen­ seitige Bewegung zweier Federschalen bei der Verformung unter Last. Nach Fig. 8 steht die jeweils äußere Federschale 31 des konvexen Pake­ tes am Rand geringfügig über die innere Federschale 32 über. Bei Über­ gang in die konkave Krümmung nach Fig. 9 verschieben sich die Feder­ schalen längs der aneinanderanliegenden Flächen, so daß die Federschale 32 am Rand über die Federschale 31 übersteht. Diese Ver­ schiebung bedeutet eine Reibung, die eine Dämpfung bewirkt. Hierdurch wird das Schwingungsverhalten günstig beeinflußt.

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Anordnung mit mehreren Federscha­ lenpaaren. Der Führungszylinder 1 greift teleskopartig in einen zwei­ ten Führungszylinder 11 ein, so daß die Anordnung durch diese Tele­ skopführung geführt und zusammengehalten ist.

Die Anzahl der Federschalen eines Federschalenpaketes bestimmt die Lastaufnahme. Die Anzahl der Federschalenpaare bestimmt dagegen die Federkonstante der gesamten Anordnung. Die endständigen Abwälz­ körper 61 nach den Fig. 10 und 11 haben einseitig eine ebene Fläche, da dort keine Abwälzung erfolgt. Die Anzahl der Federschalen innerhalb eines Schalenpakets und die Dicke einer einzelnen Federschale bestim­ men das dynamische Verhalten der Anordnung. Die Federschalen bestehen aus einem Federwerkstoff hoher Festigkeit. Insbesondere aus einem Fe­ derstahl. Jedoch kann man auch andere Werkstoffe mit elastischen Ei­ genschaften wie Kunststoffe, Verbundwerkstoffe und dergleichen vorse­ hen. Die Distanzringe bestehen aus einem möglichst starren Werkstoff.

Die Schalenfeder läßt sich in Bauwerkstützen oder in Gründungen von Bauwerken einbauen. Man kann dadurch erdbebensichere Gründungen verwirklichen.

Claims (6)

1. Schalenfeder umfassend mindestens eine flache Federschale, einen den Rand der Federschale abstützenden Distanzring und einen Ab­ wälzkörper, an dem die Federschale mit ihrer konvexen Seite anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Federschale doppelt gekrümmt ist, daß der Abwälzkörper (6) starr ist und auf der der Federschale (3) zuge­ wandten Seite eine konvexe Krümmung hat und daß die Federschale so ausgelegt ist, daß die Kraft-Verformungs-Kennlinie auch im Bereich verschwindender und konkaver Krümmung keinen Bereich negativer Steigung aufweist.

2. Schalenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Fe­ derschalen mit entgegengesetzter Krümmung auf beiden Seiten eines Di­ stanzringes angeordnet sind und sich jeweils an einem Abwalzkörper (6) abstützen.

3. Schalenfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß meh­ rere Federschalenpaare mit Abwälzkörpern aufeinander geschichtet sind.

4. Schalenfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen benachbarten Federschalenpaaren je ein Abwälzkörper mit zwei konvexen Seiten angeordnet ist.

5. Schalenfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß innerhalb einer Schalenfeder jeweils mehrere Federscha­ len gleicher Krümmung übereinander geschichtet sind.

6. Schalenfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Federschalen (3), die Distanzringe (4) und die Ab­ wälzkörper (6) innerhalb eines aus mehreren Abschnitten zusammengeset­ zen Führungszylinders (1) angeordnet sind, wobei die Abschnitte des Führungszylinders teleskopartig ineinander verschiebbar sind.