DE4210598C2 - Knickfeder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Knickfeder mit einem Federstab und mit mindestens einem Lager gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

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 er elastische Energie speichert und dabei große Deformationen möglich sind. Aufgrund des Werkstoffverhaltens herkömmlicher Werkstoffe, wie z. B. Federstahl, ist beim Ausknicken des Stabes die Elastitätsgrenze des Materials mit relativ geringen Verformungen erreicht, so daß dem Einsatz des Knickstabes als Federstab enge Grenzen gesetzt sind.

Aus der DE-PS 8 78 132 ist die Verwendung einer Feder bekannt, bei der mit zunehmender Belastung die Zunahme des Hubes stärker ist als die Zunahme der Kraft. Dabei wird ein Fe­ derstab annähernd oder parallel zur Richtung der Längsachse belastet. Wesentlich dabei ist jedoch, daß der Federstab aus einem Werkstoff hergestellt wird, der keine Knickung, sondern eine elastische Ausbiegung erlaubt. Feiner sind zur Verhinderung der Knickung in der Nähe der Einspannstellen Mittel vorgesehen, die das Ausbiegen der Feder begünstigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Feder und Verwendung derselben anzuge­ ben, bei der eine annähernd verformungsunabhängige Steuerung von Kräften möglich ist.

Diese Aufgabe ist durch die in dem Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Eine Knickfeder, deren Federstab aus einem hochelastischen Material besteht, bei dem das Verhältnis Elastizitätsmodul zu Festigkeit <100 und die Bruchdehnung größer als 2% ist, ver­ hält 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 Knick­ kraft 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 Einstel­ lung der Knickkraft durch Verschieben eines Lagers entlang der Achse des Knickstabes erfol­ gen. Wichtig dabei ist jedoch, daß ein hochelastisches Material mit einem Verhältnis Elastizi­ tätsmodul zu Festigkeit <100 und einer Bruchdehnung von größer als 2% verwendet wird, damit die Verformungsunabhängigkeit der Druckkraft nach Erreichen der Knickkraft in weiten Dehnungsbereichen 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 herkömmlichen 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 Schraubenfeder in Reihe geschaltet;

Fig. 5 eine parallele Anordnung eines Federstabes und einer Schraubenfeder;

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 dargestellt. Die Krafteinwirkung erfolgt über ein Lager 2. Die beiden Lager 2 sind endseitig des Federstabes angeordnet. Ist der Federstab 1 nur in den Lagern 2 angeordnet und ist kein Widerlager 3 vorhanden, so kann eine solche Knickfeder als Maschinenelement zur verfor­ mungsunabhängigen 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 Ver­ formung durch das Widerlager begrenzt erreicht ist.

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

In Fig. 5 ist eine parallele Anordnung eines Federstabes 1 und einer Schraubenfeder 4 darge­ stellt. Wie aus dem zugehörigen Kraftverformungsdiagramm ersichtlich, steigt die Kraft ohne nennenswerte Verformung bis zum Wert der Knickkraft F_K an. Anschließend verformt sich der Federstab 1 und die Schraubenfeder 4 gleichmäßig, wobei die Kraft entsprechend der Feder­ konstanten c der Schraubenfeder 4 weiter anwächst.

In Fig. 6 ist eine Reihenanordnung zweier Knickstäbe 5 und 6 dargestellt. Die Knickkraft F_K5 des Federstabes 5 ist kleiner als die Knickkraft F_K6 des Federstabes 6. Die Kraft der gesam­ ten 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 Federweg S5 max. zurückgelegt wird. Dann wächst die Kraft sprunghaft bis zum Wert F_K6 an. Danach 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 die Verwendung der Knickfeder 8 als Überlastungsschutz und gleichzeitig als Ele­ ment 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 Überlastungs­ schutz 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 ausweicht. Fig. 7 zeigt eine derartige Anordnung am Beispiel eines Drillhebel-Me­ chanismus. Das Drillwerkzeug 9 wird im Boden geführt, wobei die Knickfeder 8 mit den Wider­ standskräften des Bodens auf das Drillwerkzeug 9 um den Drehpunkt 10 im Momentengleich­ gewicht ist. Überschreiten die Widerstandskräfte das zulässige Maß, wenn z. B. ein Stein in der Bahn des Drillwerkzeugs liegt, dann gibt die Knickfeder 8 nach und der Drillhebel 11 mit dem Drillwerkzeug schwenkt nach oben. Nachdem das Hindernis umgangen ist, drückt die Feder­ kraft das Drillwerkzeug 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 ei­ nen Stößel 14 auf eine herkömmliche Feder, z. B. eine Schraubenfeder 15 übertragen wird. Diese wird solange zusammengedrückt, bis die Knickkraft des Federstabes 16 erreicht ist. Die Knickkraft 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 Fe­ derstabes 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 Verwen­ dung erfolgt in einem sogenannten Schwingungsisolator. Dieser besteht aus einer parallelen Anordnung eines Federstabes 1 mit der Knickkraft F_K und einer Schraubenfeder 4 mit der Fe­ derkonstanten 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 mechani­ scher Schwingungen zu isolieren. Dazu werden mehrere derartige Schwingungsisolatoren 22 zwischen der Masse 19 und der Unterlage 21 installiert. Die Knickfedern dieser Schwin­ gungsisolatoren 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 herkömmli­ chen Federn 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 we­ sentliche Vorteil des dargestellten Schwingungsisolators gegenüber herkömmlichen Schwin­ gungsisolatoren.

Claims (7)

1. Knickfeder mit mindestens einem Knickstab und mit mindestens einem Lager, welches jeweils am Ende des Knickstabes angeordnet ist, wobei der Knickstab (1, 6, 5,14, 19, 17) aus einem hochelastischen Material besteht bei dem das Verhältnis Elastizitätsmo­ dul zu Biegefestigkeit <100 und die Bruchdehnung größer als 2% ist und wobei der Ar­ beitsbereich der Knickfeder die Druckverformung des Knickstabes bis zum Erreichen der Knickkraft (F_k) und den Bereich der Biegeverformung nach dem Ausknicken um­ faßt.

2. Knickfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens ein Widerlager zur Verformungsbegrenzung endseitig des Knickstabes angeordnet ist.

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

4. Verwendung der Knickfeder nach Anspruch 1 als Maschinenelement zur verformungs­ abhängigen Steuerung und Begrenzung von Kräften, wobei zwischen zwei Lagern der Knickfeder in Reihe mit mindestens einem Knickstab (1, 14, 16, 17) mindestens eine herkömmliche Feder (4, 15) angeordnet ist und die Druckkraft in eines oder mehrere dieser Bauelemente (1, 14, 16, 17, 4, 15) eingeleitet wird, wobei bei mehreren Knick­ stäben (14, 16, 17) diese unterschiedliche oder gleiche Knickkräfte aufweisen.

5. Verwendung der Knickfeder nach Anspruch 2 als Maschinenelement zur verformungs­ abhängigen Steuerung und Begrenzung von Kräften, wobei zwischen zwei Lagern der Knickfeder in Reihe mindestens zwei Knickstäbe (5, 6) angeordnet sind und diese glei­ che oder unterschiedliche Knickkräfte aufweisen.

6. Verwendung der Knickfeder nach Anspruch 1 als Maschinenelement zur verformungs­ abhängigen Steuerung und Begrenzung von Kräften, wobei zwischen zwei Lagern der Knickfeder parallel zu mindestens einem Knickstab (1) mindestens eine herkömmliche Feder (4) angeordnet ist.

7. Verwendung der Knickfeder nach Anspruch 1 oder 2 als Überlastungsschutz, wobei die Knickfeder (8) zwischen zwei Bauteilen (11) angeordnet ist und bei Krafteinwirkung auf eines der Bauteile (11) die Knickfeder (8) nach Erreichen der Druckkraft eine konstante Kraft auf das andere Bauteil ausübt.