DE4410963A1

DE4410963A1 - Wellenfeder

Info

Publication number: DE4410963A1
Application number: DE4410963A
Authority: DE
Inventors: Syoichi Komura; Hiroyuki Toyofuku
Original assignee: Suncall Corp
Current assignee: Suncall Corp
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2014-03-30
Also published as: JP2752879B2; JPH06280912A; DE4410963C2; US5622358A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei einer Wellenfeder und insbesondere Verbesserungen einer Wellen feder, die dazu ausgelegt ist, einem Wellenfeder-Bauteil eine lineare Kennlinie im Zusammenspiel zwischen Gewicht und Aus lenkung zu geben.

Eine Wellenfeder, die durch Wickeln eines Stahlbandes mit flachem Querschnitt zu einer Spule gebildet wird, um als Federstruktur zu dienen, ist bekannt. Wie in Fig. 10 dar gestellt, hat eine Wellenfeder 1 eine vorgegebene Anzahl von Hebungen 2 und Senkungen 3 pro Windung, die ringförmig in einem bestimmten Abstand angeordnet sind, so daß das obere Ende dieser Hebung dem unteren Ende dieser Senkung zwischen aneinanderliegenden Windungen gegenüberliegt, wodurch die Federstruktur gebildet wird.

Die Spulenform dieser Wellenfeder 1 wird so gewählt, daß die Größenordnung der Auslenkung S erzeugt wird, wenn die Wellen feder 1 einer axialen Kompressionskraft P unterliegt, die in einem vorbestimmten Bereich elastischer Verformung liegt. Beispielsweise ist es im Falle eines Einsatzes dieser Wellen feder in einer Kupplungsanordnung einer Gangschaltung bei Automobilen wünschenswert, daß eine lineare oder im wesent lichen lineare Verformungskennlinie zwischen der Kraft P, die durch Treten des Kupplungspedals auf die Wellenfeder 1 ausge übt wird, und der durch dieses Kraft erzeugte Verformung S zumindest in ihrem effektiven Betriebsbereich gewahrt ist.

Fig. 11 ist ein Kraft/Verformungs-Diagramm und erläutert anhand eines Beispiels diese Verformungskennlinie. Im Anfangsbereich I, in dem die Ausübung der Kompressionskraft P auf die Feder beginnt, ist die Kraft/Verformungs-Kennlinie instabil, da die Hebungen 2 und die Senkungen 3 im oberen Bereich einander berühren, bzw. der Freiraum zwischen der Hebung 2 und der Senkung 3 der Wellenfeder unterschiedlich groß ist. Im Gegensatz dazu erreichen die Hebungen 2 und Senkungen 3 der Wellenfeder im Endlastbereich III das Stadium der engen Berührung, weshalb die Kraft P stark ansteigt. Die Wellenfeder 1 kann schließlich nur da als Federstruktur funktionieren, wo das Verhältnis zwischen der Kraft P und der Verformung S im Zwischenbereich II in etwa linear gehalten wird, der der wahre Betriebsbereich ist.

In diesem Zusammenhang wird eine in Fig. 13 (A) dargestellte Sinus-Verformungskurve (TMS) oder eine in Fig. 13 (B) dar gestellte trapezoide Verformungskurve als Faktor zur Bestim mung der Wicklungsform der Wellenfeder 1 benutzt.

Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung eines Auslen kungs-Meßinstruments 6, das zur Messung der Elastizitäts eigenschaften der Wellenfeder 1 hergerichtet wurde, wobei die Wellenfeder 1 darauf eingerichtet wird. Eine Wellenfeder, z. B. die Wellenfeder 1, deren Spulenform durch die Sinus- Verformungskurve (TMS) bestimmt wird, wird auf dem Aus lenkungs-Meßinstrument 6 eingerichtet, und die durch eine verteilte Kompressionskraft P erzeugte Auslenkung H wird gemessen. Das Auslenkungs-Meßinstrument 6 ist ein Feder struktur-Halteblock mit einem Paar Federhalteflanschen 4, die auf gegenüberliegenden Seiten vom Mittelpunkt O radial ver laufend angeordnet sind, und mit einer Federhaltefläche 5 in Form einer unterteilten, ebenen Platte die mit der inneren Seitenfläche der Halteflansche 4 verbunden ist. Im Betrieb wird die Wellenfeder 1 so angeordnet, daß ihre gegenüber liegenden Enden gegen die innere Seitenflächen der Halte flansche 4 stoßen und eine verteilte Kompressionskraft P auf den Mittelpunkt der Hebung 2 zur Messung einer in der Wellen feder 1 erzeugten elastischen Verformung S ausgeübt wird.

Die Wellenfeder 1 vermindert die Höhe H der Hebung 2 über der Federhaltefläche 5 mit dem Aufbringen der verteilten Kom pressionskraft P, und gleichzeitig gleiten die Enden der Senkungen 3 entlang den inneren Seitenflächen der Feder halteflansche 4 und bewirken eine radial nach außen gerich tete Bewegung zur Vergrößerung des Durchmessers (angezeigt durch den Bezugsbuchstaben R). Durch Messung des Senkwertes, d. h. der elastischen Verformung H der Hebung 2 während der progressiv ansteigenden verteilten Kompressionskraft P, erhält man eine Kraft/Auslenkungskurve, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist.

Wie aus der obigen Beschreibung verständlich wird, ist die Kraft/Auslenkungskurve verständlicherweise auch in dem Zwischenbereich, der der wahre Betriebsbereich ist, nicht linear, wenn die Spulenform der Wellenfeder 1 als modifi zierte Sinuskurve oder modifizierte trapezoide Kurve kon struiert ist, wie in Fig. 11 dargestellt wird. Im Falle, daß in einer solchen Last/Auslenkungs-Kennlinie keine Linearität erhalten wird, ist die Wahl der Breite der Federeigenschaften eingeschränkt, wodurch Probleme wie eine erhöhte Anzahl Kon struktionsschritte und eine Verlängerung der Testperiode der Eigenschaften entstehen. Folglich wird zwischen Belastung und Auslenkung wie z. B. bei einer Fahrzeug-Gangschaltung mit einer darin enthaltenen Wellenfeder 1 keine Linearität mehr erhalten, und ferner erhöht sich die Anzahl der Konstruk tionsschritte durch Versuchswiederholungen bei der Her stellung der Wellenfedern; dadurch ergibt sich ein beträcht licher Anstieg der Produktionskosten.

Zusammenfassung der Erfindung

Als Mittel zur Lösung der obigen Probleme bietet die vor liegende Erfindung eine Wellenfeder, die durch Aufwickeln eines Federmaterials mit flachem Querschnitt gebildet wird, wobei diese Wellenfeder dadurch gekennzeichnet ist, daß dieses Federmaterial, das sich umfangsmäßig erstreckt, eine durch eine Klothoide dargestellte Form hat und bei dem Linearität zwischen einer auf diese Wellenfeder ausgeübten Kraft und einer dadurch erzeugten Auslenkung gewahrt ist, und bietet ferner eine Wellenfeder, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem in klothoider Form aufgewickelten, gekrümmten Teil dieser Wellenfeder ein paralleler Teil in flach abge wickelter Form ausgebildet ist, wobei dieser parallele Teil tangential mit dem Ende dieser Klothoidenkurve verbunden ist.

Beim Formen einer Federstruktur durch Aufwickeln eines Feder materials mit flachem Querschnitt erhält dieses sich umfangs mäßig erstreckende Federmaterial eine Form, die durch eine Klothoide dargestellt wird. Da eine solche Klothoide dadurch gekennzeichnet ist, daß sich der Krümmungsradius kontinu ierlich umgekehrt proportional zur Länge der Kurve verändert, kann Linearität im Verhältnis zwischen der Kraft P und der Auslenkung S im Vergleich zur modifizierten Sinuskurve oder der modifizierten trapezoiden Kurve, bei denen keine Kon tinuität der Veränderung des Krümmungsradius ersichtlich ist, leicht erzielt werden.

Folglich wird ein Knicken aufgrund der Nichtlinearität der Veränderung des Krümmungsradius im wesentlichen vermieden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine begriffsmäßig erklärende einer Klothoide;

Fig. 2 ist eine Vorderansicht einer Wellenfeder, in der eine Minimaleinheit an Hebungen- und Senkungen in einer Klothoiden ausgebildet ist;

Fig. 3 ist eine Darstellung zur Erklärung der Ordnung der Herstellung einer Wellenfeder.

Fig. 4 ist eine Darstellung zur Erklärung der Ordnung der Herstellung einer Wellenfeder.

Fig. 5 ist eine Darstellung zur Erklärung der Ordnung der Herstellung einer Wellenfeder.

Fig. 6 ist eine Darstellung zur Erklärung der Ordnung der Herstellung einer Wellenfeder.

Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Formkennzeichen einer Wellenfeder.

Fig. 8 ist eine Kraft/Auslenkungskurve einer Wellenfeder.

Fig. 9 ist eine Kraft/Auslenkungskurve einer Wellenfeder.

Fig. 10 ist eine perspektivische Darstellung einer Wellen feder, mit einem Wellenteil, der auf der Grundlage einer deformierten trapezoiden Kurve ausgebildet ist;

Fig. 11 ist eine Kraft/Auslenkungskurve im Anfangs-, Zwischen- und Endbereich;

Fig. 12 ist eine Darstellung einer Wellenfeder unter Last, die auf einem Verformungsmeßinstrument eingerichtet ist;

Fig. 13 (A) ist eine Teilansicht einer Wellenfeder, die aus einer modifizierten Sinuskurve gebildet wurde; und

Fig. 13 (B) ist eine Teilansicht einer Wellenfeder, die aus einer modifizierten trapezoiden Kurve gebildet wurde.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein konkretes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mittels eines vergleichenden Beispiels mit Bezug auf die Fig. 1 bis 9 beschrieben.

Wie aus der Theorie einfacher Träger ersichtlich ist, wird der Krümmungsradius ρ nach Aufbringen eines Biegemoments M auf eine flache Wellenfeder als Funktion des Längselastizi tätsmoduls E und des zweiten Moments des Bereichs I dar gestellt, wie durch die Formel (1) angezeigt ist.

Das bedeutet, wenn das Biegemoment M auf die Wellenfeder aufgebracht wird - sofern der Längselastizitätsmodul E und das zweite Moment des Bereichs I konstant sind - verändert sich das Biegemoment M proportional zum umgekehrten Krüm mungsradius 1/ρ der Wellenfeder.

Eine Wellenfeder 10 (so genannt, wenn sie nur eine Spulenlage hat) kann unter dynamischen Gesichtspunkten als einfacher Träger betrachtet werden. Wenn daher eine verteilte Kom pressionskraft P entsprechend diesem Biegemoment M auf die Druckaufnahmefläche ausgeübt wird, um ein umgekehrt pro portionales Verhältnis zwischen der Größe der verteilten Kompressionskraft P und dem umgekehrten Krümmungsradius 1/ρ herzustellen, ist es notwendig, eine Spulenformkurve zu wählen, daß sich der Krümmungsradius ρ mit der Zunahme der verteilten Kompressionskraft P kontinuierlich ändert.

Unter Berücksichtigung der oben genannten Tatsache wurde eine Klothoide als Mittel zur Erstellung eines proportionalen Verhältnisses zwischen der verteilten Kompressionskraft P und dem umgekehrten Krümmungsradius 1/ρ gewählt.

D.h., eine Klothoide CLO, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt wird, ist eine Kurve, deren Krümmungsradius ρ sich kontinu ierlich im umgekehrten Verhältnis zur Länge der Kurve CLO verändert, und kann mathematisch durch die Kurvenlänge als Parameter definiert werden, wie durch die Formel (2) gezeigt wird:

wobei u die Kurvenlänge und a eine Proportionalitätskonstante ist. Die Tangentenrichtung Φ und der Krümmungsradius ρ an jedem Punkt der Klothoide werden jeweils durch die Formeln (3) und (4) definiert.

Die Funktionen x und y sind als Elementarfunktionen schwer zu behandeln, doch die Richtung Φ einer Tangente kann als Funktionen der Länge U berechnet werden.

Jetzt soll unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 die Bildung der Wellenfeder 10 unter Verwendung einer Klothoidenkurve als konkretes Beispiel beschrieben werden.

Zuerst wird, wie in Fig. 3 dargestellt ist, der Abstand vom Spulenmittelpunkt O zum Breitenmittelpunkt der Wellenfeder 10, d. h. die Länge der halben Hebung am Spulenradius R (1 = AB) und die Höhe (h = AA′) der Hebung gemessen, und ein Bogen CD wird aus einer Klothoidenkurve CLO ausgeschnitten. Beim Ausschneiden des Bogens CD werden die Schnittbedingungen so bestimmt, daß in den Fig. 3 und 4 die Bedingung c/d = h/l erfüllt wird. In diesem Zusammenhang werden die Segmente CE und ED in Fig. 4 so bestimmt, daß die Bedingungen CD = c und ED = α erfüllt werden. Zusätzlich bedeutet Φ den Winkel der Tangente an die Klothoide CLO an einem Punkt D.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, wird der in Fig. 3 ausge schnittene Bogen CD zur punktsymmetrischen Abwicklung um einen Punkt C um 180° gedreht, so daß ein Bogen C′D gebildet wird. Aus der Länge des Bogens CD′, die gleich 2α ist, ge messen an der Achse DF (Mittelachse), und der Höhe des Bogens DD′, die gleich 2C ist, gemessen an der Achse D′F, die ortho gonal zu dieser Achse Φ liegt, wird eine Konstante a gefun den, so daß die Bedingungen h = ac und l′ = ad erfüllt werden, wodurch die gewünschte Klothoide CLO gebildet wird.

Schließlich wird eine Koordinatentransformation durchgeführt, so daß der Tangentenwinkel Φ in Fig. 5 gleich 0° ist. Dann werden die Länge der halben Hebung (l′ = AB) und die Höhe der Hebung (h = AA′) bestimmt, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Als Ergebnis wird eine Klothoide CLO gebildet, so daß der Punkt B in Fig. 6 mit dem Punkt D in Fig. 5 zusammenfällt, und Punkt A aus Fig. 6 mit Punkt D′ aus Fig. 5 zusammenfällt.

Die daraus resultierende Klothoide wird als Mindesteinheit der Spule benutzt, und eine Vielzahl solcher Klothoiden werden miteinander verbunden, um eine Wellenfeder 10 zu erzeugen, so daß die Wellenform in orthogonaler Richtung zur Spulenachse O-O′ aus einem kontinuierlichen Körper von Klothoidenkurven gebildet wird.

Das oben beschriebene konkrete Beispiel bezieht sich auf die Bildung der Wellenfeder 10, die nur aus der Hebung 2 und den Senkungen 3 gebildet wird. Als Modifikation jedoch, falls es nötig sein sollte, parallele Teile 7 an gegenüberliegenden Enden der Senkungen 3 vorzusehen, wie in Fig. 7 und Tabelle 1 gezeigt wird, läßt sich ein solcher paralleler Teil 7 mit dem Ende des Klothoidenteils 3 (Punkt D in Fig. 3) verbinden, so daß der parallele Teil 7 eine Tangente Φ an dieses Ende bildet.

Tabelle 1

Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wurden Wellenfeder-Muster mit den in Fig. 7 und Tabelle 1 (A) gezeigten Abmessungen, die aus einer Klothoide CLO gebildet wurden, hergestellt und eine verteilte Kompressionskraft P auf diese aufgebracht, um das Verhältnis zwischen der Kraft P und der Auslenkung (S) auf dieselbe Weise wie in Fig. 12 zu messen. Im Falle des Wellenfeder-Musters 10 wurden zwei Typen hergestellt, eines (CLO-F) mit einer Hebung 2 und parallelen Teilen 7, die mit den gegenüberliegenden Enden der Senkungen 3 verbunden waren, und das andere (CLO-NF) ohne parallele Teile. Als vergleichende Muster wurden ein Wellenfedern- Muster (TMS-NF) aus nur einer modifizierten Sinuskurve und ein Wellenfedern-Muster (TMS-F) mit parallelen Teilen 7, die mit den gegenüberliegenden Enden eines modifizierten Sinus kurventeils verbunden waren, hergestellt, wie in Tabelle 1 gezeigt wird, und das Verhältnis zwischen der Kraft P und der Auslenkung S wurde auf die gleichen Weise gemessen wie oben beschrieben. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Fig. 8 dargestellt. Fig. 9 ist eine begriffsmäßige Kraft/Auslen kungs-Kurve zur Klärung der physikalischen Bedeutung für Fig. 8.

Die Bildung der Wellenfeder 10 aus einer Klothoiden gewähr leistet, daß sich der Krümmungsradius ρ umgekehrt propor tional zur Kurve CLO verändert. Man erhält eine Federstruktur mit signifikanter Linearität.

Bei der erfindungsgemäßen Wellenfeder 10 wird die Linearität der Kurve CLO im Vergleich zu den aus modifizierten Sinus kurven und der in Fig. 13 dargestellten modifizierten tra pezoiden Kurven gebildeten Wellenfedern in hohem Grad ver bessert, da sich der Krümmungsradius der Kurve CLO kontinu ierlich mit der Größe der aufzubringenden Kraft verändert. Folglich gibt es bei der Konstruktion einer Wellenfeder 10 fast keine Möglichkeit, daß ein Unterschied zwischen Kon struktions- und tatsächlich gemessenen Werten auftritt, und signifikante Auswirkungen werden auch in bezug auf eine Ver minderung der Anzahl der Herstellungsschritte und der Anzahl der auf Versuchsbasis hergestellten Wellenfedern erzielt.

Ferner bleibt die Kontinuität zwischen den parallelen Teilen 7 und dem Kurventeil CLO durch Verbinden der parallelen Teile 7 mit den Enden der Klothoiden, so daß sie tangential dazu sind, erhalten, falls es nötig ist, flache parallel Teile 7 an den gegenüberliegenden Enden der Senkungen 3 zu ergänzen, so kann es kaum zum Knicken aufgrund der konzentrierten Be lastung kommen. Da ferner eine Federkennlinie erreicht wird, die praktisch als linear angesehen werden kann, angenähert an die der aus nur einer Klothoiden CLO gebildeten linearen Wellenfeder 10, können Größe und Merkmale der Wellenfeder 10 entsprechend den Einsatzbereichen trotz Vorhandensein der parallelen Teile 7 verändert werden.

Claims

1. Eine Wellenfeder, die durch Aufwickeln eines Feder materials mit flachem Querschnitt gebildet wird, wobei diese Wellenfeder dadurch gekennzeichnet ist, daß dieses Feder material, das sich umfangsmäßig erstreckt, eine durch eine Klothoide dargestellte Form hat und bei dem Linearität zwischen einer auf diese Wellenfeder ausgeübten Kraft und einer dadurch erzeugten Auslenkung gewahrt ist.

2. Eine Wellenfeder, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem in klothoider Form aufgewickelten, gekrümmten Teil dieser Wellenfeder ein paralleler Teil in flach abgewickelter Form ausgebildet ist, wobei dieser parallele Teil tangential mit dem Ende dieser Klothoidenkurve verbunden ist.