DE4210598A1 - Knickfeder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Knickfeder mit einem Federstab und mit mindestens einem Lager und gegebenenfalls mit mindestens einem Widerlager zur Verformungsbegrenzung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches und des Anspruches 2.

Das bekannte Verhalten eines Stabes unter einer Druckbelastung ist dadurch gekennzeichnet, daß beim Einwirken einer Druckkraft die Stabkraft verbunden mit geringen Verformungen stark ansteigt und nach Erreichen der Knickkraft über einen großen Verformungsbereich annähernd konstant bleibt. Dabei knickt der Stab seitlich aus. Ein solcher Stab kann als Feder bezeichnet werden, wenn elastische Energie abspeichert und dabei große Deformationen möglich sind. Aufgrund des Werkstoffverhaltens herkömmlicher Werkstoffe wie z. B. Federstahl ist beim Aus­ knicken des Stabes die Elastitätsgrenze des Materials mit relativ geringen Verformungen er­ reicht, so daß dem Einsatz des Knickstabes als Federstab enge Grenzen gesetzt sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Knickfeder und Verwendung derselben an­ zugeben, bei der eine annähernd verformungsunabhängige Steuerung von Kräften möglich ist.

Diese Aufgabe ist durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Eine Knickfeder, deren Federstab aus einem hochelastischen Material besteht, bei dem das Verhältnis Elastizitätsmodul zu Festigkeit annähernd <100 und die Bruchdehnung größer als 2% ist, verhält sich so, daß mit wachsender Druckverformung, d. h. beim Ansteigen der Druckkraft die Federkraft des Federstabes bis zu einem bestimmten Wert sehr rasch ansteigt und die Knickkraft F_K erreicht. Anschließend bleibt die Federkraft bei wachsender Druckverformung bis zum Bruch des Federstabes annähernd konstant. Die Größe der Knickkraft ist durch die Wahl der Länge des Federstabes, seiner Querschnittsform und Abmessungen, seines Materials sowie der Anordnung und Art der Lager beeinflußbar. Bei konstanten Parametern kann die Einstellung der Knickkraft durch Verschieben eines Lagers entlang der Achse des Knickstabes erfolgen. Wichtig dabei ist jedoch, daß ein hochelastisches Material mit einem Verhältnis Elastizitätsmodul zu Festigkeit <100 und einer Bruchdehnung von größer als 2% verwendet wird, damit die Verformungsunabhängigkeit von der Höhe der Druckkraft nach Erreichen der Knickkraft gewährleistet ist.

In einer Abwandlung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird ein Widerlager zur Verfor­ mungsbegrenzung vorgesehen. Die Eigenschaften des eingesetzten Federstabes sind die glei­ chen, jedoch bietet der Einsatz eines Widerlagers die Möglichkeit der verformungsabhängigen Steuerung von Kräften, d. h. der Begrenzung der maximalen Verformung des Federstabes nach Erreichen der Knickkraft.

Durch die Anordnung der erfinderischen Knickfeder in Reihe oder parallel mit herkömmmlichen Federn, können einfach Maschinenelemente zur verformungsabhängigen oder verformungs­ unabhängigen Steuerung und Begrenzung von Kräften realisiert werden. Anhand der nachfol­ genden Ausführungsbeispiele wird diese Verwendung sowie das Verhalten der erfindungsge­ mäßen Knickfeder näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Knickfeder in einer Anordnung mit einem Widerlager;

Fig. 2: die Darstellung der Knickfeder der Fig. 1 bei einer maximalen Verformung;

Fig. 3: Kraftverformungsdiagramm der Knickfeder der Fig. 1 und 2;

Fig. 4: eine Anordnung mit einem Federstab und einer Spiralfeder in Reihe geschaltet;

Fig. 5: eine parallele Anordnung eines Federstabes und einer Spiralfeder;

Fig. 6: eine Anordnung zweier Knickstäbe in Reihe geschaltet;

Fig. 7: eine Darstellung der Verwendung der Knickfeder als Überlastungsschutz;

Fig. 8: eine Darstellung der Verwendung der Knickfeder in einer Belastungseinrichtung;

Fig. 9: eine Darstellung der Verwendung der Knickfeder in einer anderen Belastungseinrich­ tung;

Fig. 10: eine Darstellung der Verwendung der Knickfeder als Schwingungsisolator;

Fig. 11: eine andere Darstellung der Fig. 10.

In Fig. 1 ist eine Knickfeder mit einem Federstab 1, zwei Lagern 2 und einem Widerlager 3 dar­ gestellt. Die Krafteinwirkung erfolgt über ein Lager 2. Die beiden Lager 2 sind endseitig des Fe­ derstabes angeordnet. Ist der Federstab 1 nur in den Lagern 2 angeordnet und ist kein Wider­ lager 3 vorhanden, so kann eine solche Knickfeder als Maschinenelement zur verformungs­ unabhängigen Steuerung von Kräften verwendet werden.

In Fig. 2 ist die Knickfeder im verformten Zustand dargestellt. Das Widerlager 3 begrenzt die Verformung des Knickstabes 1. In Fig. 3 ist das Kraftverformungsdiagramm der Knickfeder der Fig. 1 und 2 dargestellt. Mit steigender Druckbelastung und wachsender Druckverformung steigt die Federkraft an bis zu einem bestimmten Wert der Knickkraft F_K. Anschließend bleibt die Federkraft bei wachsender Druckverformung annähernd konstant bis die maximale Verfor­ mung, durch das Widerlager begrenzt, erreicht ist.

In Fig. 4 ist eine Anordnung eines Federstabes 1 und einer Spiralfeder 4 in Reihe dargestellt. Wie aus dem zugehörigen Kraftverformungsdiagramm ersichtlich ist, verformt sich zunächst die Spiralfeder 4 bis zum Erreichen der Federkraft F_K. Danach wird der Federstab 1 deformiert und die Spiralfeder 4 behält ihre Länge bei.

In Fig. 5 ist eine parallele Anordnung eines Federstabes 1 und einer Spiralfeder 4 dargestellt. Wie aus dem zugehörigen Kraftverformungsdiagramm ersichtlich, steigt die Kraft ohne nennens­ werte Verformung bis zum Wert der Knickkraft F_K an. Anschließend verformt sich der Federstab 1 und die Spiralfeder 4 gleichmäßig, wobei die Kraft entsprechend der Federkonstanten c der Spiralfeder 4 weiter anwächst.

In Fig. 6 ist eine Reihenanordnung zweier Knickstäbe 5 und 6 dargestellt. Die Knickkraft des Federstabes 5 ist kleiner als die Knickkraft F_K6 des Federstabes 6. Die Kraft der gesamten Anordnung steigt ohne nennenswerte Verformung bis zum Wert F_K5 an. Anschließend verformt sich der Federstab 5 ohne Kraftanstieg bis zum Erreichen des Anschlags 7, wobei der Feder­ weg 55 max. zurückgelegt wird. Dann wächst die Kraft sprunghaft bis zum Wert F_K6 an. Da­ nach verformt sich der Federstab 6, wobei die Kraft den Wert F_K6 beibehält.

Die Anordnungen nach Fig. 4, 5 und 6 können zu verformungsabhängigen Steuerung und Begrenzung von Kräften bei Maschinenelementen eingesetzt werden.

In Fig. 7 ist Verwendung der Knickfeder 8 als Überlastungsschutz und gleichzeitig als Element zur verformungsunabhängigen Übertragung von Kräften dargestellt. Die Wirkung als Überlastungsschutz bei der Einwirkung von Kräften beruht auf der Eigenschaft der Knickfeder 8, nach Erreichen der Knickkraft unabhängig von der weiteren Verformung eine konstante Kraft auf die benachbarten Elemente auszuüben (wie in Fig. 3 dargestellt). Dadurch können die zu schützenden Teile der Kraftwirkung ausweichen. Die Knickfeder 8 als Überlastungsschutz kann überall dort eingesetzt werden, wo Betriebsbelastungen mit einzelnen hohen Spitzen auftreten und die Konstruktion vor diesen hohen Spitzen geschützt werden soll, indem sie diesen aus­ weicht. Fig. 7 zeigt eine derartige Anordnung am Beispiel eines Drillhebel-Mechanismus. Das Drillwerkzeug 9 wird im Boden geführt, wobei die Knickfeder 8 mit den Widerstandskräften des Bodens auf das Drillwerkzeug 9 um den Drehpunkt 10 im Momentengleichgewicht ist. Über­ schreiten die Widerstandskräfte das zulässige Maß, wenn z. B. ein Stein in der Bahn des Drill­ werkzeugs liegt dann gibt die Knickfeder 8 nach und der Drillhebel 11 mit dem Drillwerkzeug schwenkt nach oben. Nachdem das Hindernis umgangen ist, drückt die Federkraft das Drill­ werkzeug 9 wieder in die Arbeitsstellung.

In den Fig. 8 und 9 ist eine Verwendung der Knickfeder zur verformungsunabhängigen Übertragung von Kräften in einer mechanischen Belastungseinrichtung für Schwingfestigkeits­ untersuchungen von Bauteilen dargestellt. Fig. 8 zeigt einen Exzenter 12, angetrieben durch einen Motor, welcher an der Rolle 13 einen sinusförmigen Weg erzeugt, welcher Weg über einen Stößel 14 auf eine herkömmliche Feder, z. B. eine Spiralfeder 15 übertragen wird. Diese wird solange zusammengedrückt, bis die Knickkraft des Federstabes 16 erreicht ist. Die Knick­ kraft F_K ist gleichzeitig die Oberlast. Die Unterlast ist bei dieser Anordnung Null. Wie in Fig. 9 dargestellt, kann mit einer zweiten Federanordnung an der anderen Seite des Exzenters 12 ein beliebiges Verhältnis der Unterlast zur Oberlast erzeugt werden. Die Knickkraft des Federstabes 17 F_K17 bildet dann die Oberlast, die Knickkraft des Federstabes 16 F_K16 bildet die Unterlast. Der besondere Effekt der Anwendung der Knickfeder liegt darin, daß die Anordnung nahezu unabhängig von Ungenauigkeiten des Exzenters 12 (z. B. durch Verschleiß) ist.

Eine weitere Anwendung der Knickfeder ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Die Ver­ wendung erfolgt in einem sogenannten Schwingungsisolator. Dieser besteht aus einer paralle­ len Anordnung eines Federstabes 1 mit der Knickkraft F_K und einer Spiralfeder 4 mit der Feder­ konstanten c. Eine obere Platte 18 ist mit einer Masse 19 verbunden, eine untere Platte 20 mit einer Unterlage 21. Die Masse 19 ist gegenüber der Unterlage 21 hinsichtlich mechanischer Schwingungen zu isolieren. Dazu werden mehrere derartige Schwingungsisolatoren 22 zwi­ schen der Masse 19 und der Unterlage 21 installiert. Die Knickfedern dieser Schwingungsisolatoren werden so bemessen, daß sie das Gewicht der Masse 19 tragen, d. h. daß die Summe der Knickkräfte geringfügig kleiner ist als das Gewicht der Masse 19. Die herkömmlichen Fe­ dern 4 dienen der Einstellung einer stabilen Lage der Masse 19. Ihre Federkonstanten c können klein sein, was niedrige Eigenfrequenzen der Anordnung zur Folge hat und wodurch die Schwingungsisolation auch bei niedrigen Erregerfrequenzen wirksam ist. Dies ist der wesentli­ che Vorteil des dargestellten Schwingungsisolators gegenüber herkömmlichen Schwingungs­ isolatoren.

Claims (7)

1. Knickfeder mit einem Federstab und mit mindestens einem Lager, welches jeweils am Ende des Federstabes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstab (1, 6, 5, 14, 16, 17) aus einem hochelastischen Material besteht, dessen Verhältnis Elastizitätsmodul zu Festigkeit <100 und die Bruchdehnung größer als 2% ist.

2. Knickfeder mit einem Federstab und mindestens einem Lager und mit mindestens ei­ nem Widerlager zur Verformungsbegrenzung, welche Lager jeweils endseitig des Fe­ derstabes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstab (1, 6, 5, 14, 16, 17) aus einem hochelastischen Material besteht, dessen Verhältnis Elastizitätsmodul zu Festigkeit <100 und die Bruchdehnung größer als 2% ist.

3. Verwendung der Knickfeder nach Anspruch 1 oder 2 als Maschinenelement zur verfor­ mungsabhängigen Steuerung und Begrenzung von Kräften, wobei zwischen zwei La­ gern der Knickfeder in Reihe mit mindestens einem Federstab (1, 14, 16. 17) mindestens eine herkömmliche Feder (4,15) angeordnet ist und die Druckkraft über eines dieser Bauelemente eingeleitet wird, wobei bei mehreren Federstäben (14,16, 17) diese unterschiedliche oder gleiche Knickkräfte aufweisen.

4. Verwendung der Knickfeder nach Anspruch 1 oder 2 als Maschinenelement zur verfor­ mungsabhängigen Steuerung und Begrenzung von Kräften, wobei zwischen zwei La­ gern der Knickfeder in Reihe mindestens zwei Federstäbe (5, 6) angeordnet sind und diese gleiche oder unterschiedliche Knickkräfte aufweisen.

5. Verwendung der Knickfeder nach Anspruch 1 oder 2 als Maschinenelement zur verfor­ mungsabhängigen Steuerung und Begrenzung von Kräften, wobei zwischen zwei La­ gern der Knickfeder parallel zu mindestens einem Knickstab (1) mindestens eine her­ kömmliche Feder (4) angeordnet ist.

6. Knickfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstab (1) aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht.

7. Verwendung der Knickfeder nach Anspruch 1 oder 2 als Überlastungsschutz, wobei die Knickfeder (8) zwischen zwei Bauteilen angeordnet ist wobei die Krafteinwirkung auf eines der Bauteile (11) erfolgt und dieses der Kraftwirkung bei Überlast ausweicht.