DE4410963C2

DE4410963C2 - Schraubenfeder

Info

Publication number: DE4410963C2
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: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2014-03-30
Also published as: US5622358A; DE4410963A1; JPH06280912A; JP2752879B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenfeder mit wel lenförmigen Federabschnitten, welche durch Aufwickeln eines Federmaterials mit flachem Querschnitt gebildet ist.

Eine Schraubenfeder, die durch Wickeln eines Stahlbandes mit flachem Querschnitt zu einer Spule gebildet wird, um als Fe derstruktur zu dienen, ist bekannt. Wie in Fig. 10 darge stellt, hat eine Schraubenfeder 1 eine vorgegebene Anzahl von Wellenrücken 2 und Wellentälern 3 pro Windung, die ringförmig in einem bestimmten Abstand angeordnet sind, so daß das obere Ende dieses Rückens dem unteren Ende dieses Tals zwischen aneinanderliegenden Windungen gegenüberliegt, wodurch die Federstruktur gebildet wird.

Im Falle eines Einsatzes dieser Schraubenfeder in einer Kupp lungsanordnung einer Gangschaltung bei Automobilen ist es wünschenwert, daß eine lineare oder im wesentlichen lineare Verformungskennlinie zwischen der Kraft P, die durch Treten des Kupplungspedals auf die Schraubenfeder 1 ausgeübt wird, und der durch diese Kraft erzeugte Verformung S zumindest in ihrem effektiven Betriebsbereich gewahrt ist.

Eine derartige bekannte Feder wird beispielsweise in einer Rückstellfeder-Baugruppe für eine Kupplung, insbesondere für Automatikgetriebe in Kraftfahrzeugen, eingesetzt (DE 40 08 509 A1). Hier findet nur eine einzige Rückstellfeder Anwendung, welche aus einem dünnen elastischen Metallband besteht, das über die Schmalseite schraubenförmig abgewickelt ist, wobei wellenförmige Abschnitte ausgebildet sind.

Weiterer Stand der Technik betrifft eine Schraubenfeder, bei welcher der Umfang des Querschnittes des Federdrahtes aus vier Klothoiden-Kurvenabschnitten zusammengesetzt ist (EP 0 377 934 A2).

Fig. 11 ist ein Kraft/Verformungs-Diagramm und erläutert an hand eines Beispiels diese Verformungskennlinie der Verformung S. Im Anfangsbereich I, in dem die Ausübung der Kompressions kraft P auf die Feder beginnt, ist die Kraft/Auslenkungs-Kenn linie instabil, da die Rücken 2 und die Täler 3 im oberen Bereich einander berühren, bzw. der Freiraum zwischen dem Rücken 2 und dem Tal 3 der Schraubenfeder unterschiedlich groß ist. Im Gegensatz dazu erreichen die Rücken 2 und Täler 3 der Schraubenfeder im Endlastbereich III das Stadium der engen Berührung, weshalb die Kraft P stark ansteigt. Die Schrauben feder 1 kann schließlich nur da als Federstruktur funktionie ren, 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) darge stellte trapezoide Verformungskurve als Faktor zur Bestimmung der Wicklungsform der Schraubenfeder 1 benutzt.

Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung eines Auslen kungs-Meßinstruments 6, das zur Messung der Elastizitätseigen schaften der Schraubenfeder 1 hergerichtet wurde, wobei die Schraubenfeder 1 darauf eingerichtet wird.

Eine Schraubenfeder, deren Windungsverlauf durch die Sinus- Verformungskurve (TMS) bestimmt wird, wird auf dem Auslen kungs-Meßinstrument 6 eingerichtet, und die durch eine ver teilte Kompressionskraft P erzeugte Auslenkung H wird gemes sen.

Das Auslenkungs-Meßinstrument 6 ist ein Federstruktur-Halte block mit einem Paar Federhalteflanschen 4, die auf gegenüber liegenden Seiten vom Mittelpunkt O radial verlaufend angeord net sind, und mit einer Federhaltefläche 5 in Form einer un terteilten, ebenen Platte die mit der inneren Seitenfläche der Halteflansche 4 verbunden ist. Im Betrieb wird die Schrauben feder 1 so angeordnet, daß ihre gegenüberliegenden Enden gegen die inneren Seitenflächen der Halteflansche 4 stoßen und eine verteilte Kompressionkraft P auf den Mittelpunkt der Rückens 2 zur Messung einer in der Schraubenfeder 1 erzeugten elasti schen Verformung S ausgeübt wird.

Die Schraubenfeder 1 vermindert die Höhe H des Rückens 2 über der Federhaltefläche 5 mit dem Aufbringen der verteilten Kom pressionskraft P, und gleichzeitig gleiten die Enden der Täler 3 entlang den inneren Seitenflächen der Federhalteflansche 4 und bewirken eine radial nach außen gerichtete Bewegung zur Vergrößerung des Durchmessers (angezeigt durch den Bezugsbuch staben 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/Auslen kungskurve, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist.

Wie aus der obigen Beschreibung verständlich wird, ist die Kraft/Auslenkungskurve verständlicherweise auch in dem Zwi schenbereich, der der wahre Betriebsbereich ist, nicht linear, wenn der Windungsverlauf der Schraubenfeder 1 als modifizierte Sinuskurve oder modifizierte trapezoide Kurve konstruiert ist, wie in Fig. 11 dargestellt wird.

Im Falle, daß in einer solchen Kraft/Auslenkungs-Kennlinie keine Linearität erhalten wird, ist die Wahl der Breite der Federeigenschaften eingeschränkt, wodurch Probleme wie eine erhöhte Anzahl Konstruktionsschritte und eine Verlängerung der Testperiode zur Ermittlung der Federeigenschaften entstehen.

Folglich wird zwischen Belastung und Auslenkung wie z. B. bei einer Fahrzeug-Gangschaltung mit einer darin enthaltenen Schraubenfeder 1 keine Linearität mehr erhalten, und ferner erhöht sich die Anzahl der Konstruktionsschritte durch Ver suchswiederholungen bei der Herstellung der Schraubenfedern; dadurch ergibt sich ein beträchtlicher Anstieg der Produk tionskosten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubenfeder mit wellenförmigen Federabschnitten zu schaf fen, welche unter Beibehaltung der Effektivität mit geringeren Kosten herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in axialer Richtung der Schraubenfeder gekrümmten Bereiche der wellenförmigen Federabschnitte für das Erzielen eines linearen Zusammenhangs zwischen der auf die Schraubenfeder ausgeübten Kraft und der dadurch erzeugten Auslenkung der Schraubenfeder aus Klothoiden-Kurvenabschnitten gebildet sind.

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 werden kann. Da eine solche Klothoide dadurch gekennzeichnet ist, daß sich der Krümmungsradius kon tinuierlich umgekehrt proportional zur Länge der Kurve ver ändert, 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 Ausknicken aufgrund der Nichtlinearität der Veränderung des Krümmungsradius im wesentlichen vermieden.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü chen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrie ben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erläuternde Darstellung einer Klothoide;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Abschnitts einer Windung ei ner Schraubenfeder, welcher aus Klothoidenabschnitten besteht;

Fig. 3 eine Darstellung des Abschnitts in Fig. 2 zur Erläute rung der Parameter zur Herstellung einer Schraubfeder;

Fig. 4 bis 6 eine Darstellung zur Erläuterung des Entwurfs einer Schraubenfeder;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Charakteristika einer Schraubenfeder;

Fig. 8 Kraft/Auslenkungskurven verschiedener Versuchsschrau benfedern;

Fig. 9 Kraft/Auslenkungskurven verschiedener Schraubenfeder typen;

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung einer Schraubenfeder, mit einem Wellenteil, der auf der Grundlage einer de formierten trapezoiden Kurve ausgebildet ist;

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

Fig. 12 eine Darstellung eines Abschnitts einer Windung einer Schraubenfeder unter Last, die auf einem Verformungs meßinstrument eingerichtet ist;

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

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

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 Schraubenfeder als Funktion des Längselastizitäts moduls E und des zweiten Flächenträgheitsmoments des Bereichs I dargestellt, wie durch die Formel (1) angezeigt ist.

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

Eine Schraubenfeder 10 kann unter dynamischen Gesichtspunkten als einfacher Träger betrachtet werden. Wenn daher eine ver teilte Kompressionskraft P entsprechend diesem Biegemoment M auf die Druckaufnahmefläche ausgeübt wird, um ein umgekehrt proportionales Verhältnis zwischen der Größe der verteilten Kompressionkraft P und dem umgekehrten Krümmungsradius 1/ρ herzustellen, ist es notwendig, einen Windungsverlauf zu wäh len, daß sich der Krümmungsradius ρ mit der Zunahme der ver teilten Kompressionskraft P kontinuierlich ändert.

Unter Berücksichtigung der oben genannten Tatsache wurde eine Klothoide als Mittel zur Erstellung eines proportionalen Ver hältnisses 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 kontinuier lich im umgekehrten Verhältnis zur Länge der Kurve CLO ver ändert, und kann mathematisch durch die Kurvenlänge als Para meter definiert werden, wie durch die Formel (2) gezeigt wird:

wobei u die Kurvenlänge und a eine Proportionalitätskonstante ist. Der Tangentenwinkel 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 der Winkel ϕ einer Tangente kann als Funktio nen der Länge U berechnet werden.

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

Zuerst wird, wie in Fig. 3 dargestellt ist, die Länge des halben wellenförmigen Abschnitts (1 = AB) am Spulenradius R und die Höhe (h = AA') des Abschnitts 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 = d 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 CD' gebildet wird. Aus der Länge des Bogens CD', die gleich 2d ist, gemessen an der Achse DF (Mittelachse), und der Höhe des Bogens DD', die gleich 2C ist, gemessen an der Achse D'F, die orthogonal zu dieser Achse ϕ' liegt, wird eine Konstante a gefunden, 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 des halben Abschnitts (l' = AB) und die Höhe des Abschnitts (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.

Der daraus resultierende Klothoidenabschnitt wird als Min desteinheit einer Windung benutzt, und eine Vielzahl solcher Klothoidenabschnitte werden miteinander verbunden, um eine Schraubenfeder 10 zu erzeugen, so daß die Wellenform in ortho gonaler Richtung zur Schraubenfederachse O-O' aus einem kon tinuierlichen Körper von Klothoidenkurven gebildet wird.

Das oben beschriebene konkrete Beispiel bezieht sich auf die Bildung der Schraubenfeder 10, die nur aus dem Wellenrücken 2 und dem Wellental 3 gebildet wird. Als Modifikation jedoch, falls es nötig sein sollte, parallele Teile 7 an gegenüber liegenden Enden der Täler 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. 5) ver binden, so daß der parallele Teil 7 eine Tangente an dieses Ende bildet.

Tabelle 1

(A) ist eine Tabelle zur Darstellung der Dimensionen einer Versuchs-Schraubenfeder, die aus einer Klothoide gebildet wurde.

(B) ist eine Tabelle zur Darstellung der Dimensionen zweier Versuchs-Schraubenfedern, die aus einer Klothoiden und einer modifizierten Sinuskurve gebildet wurden.

Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wurden Schraubenfeder-Muster mit den in Fig. 7 und Tabelle 1 (A) gezeigten Abmessungen, die aus einer Klothoide CLO gebil det 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 Schraubenfeder-Musters 10 wurden zwei Typen her gestellt, eines (CLO-F) mit einem Rücken 2 und parallelen Teilen 7, die mit den gegenüberliegenden Enden der Täler 3 verbunden waren, und das andere (CLO-NF) ohne parallele Teile.

Als vergleichende Muster wurden ein Schraubenfeder-Muster (TMS-NF) aus nur einer modifizierten Sinuskurve und ein Schraubenfeder-Muster (TMS-F) mit parallelen Teilen 7, die mit den gegenüberliegenden Enden eines modifizierten Sinuskurven teils verbunden waren, hergestellt, wie in Tabelle 1 gezeigt wird, und das Verhältnis zwischen der Kraft P und der Auslen kung S wurde auf die gleiche Weise gemessen wie oben be schrieben. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Fig. 8 darge stellt. Fig. 9 zeigt eine Kraft/Auslenkungs-Kurve zur Erläute rung der Ergebnisse in Fig. 8.

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

Bei der erfindungsgemäßen Schraubenfeder 10 wird die Lineari tät der Kurve CLO im Vergleich zu den aus modifizierten Sinus kurven und der in Fig. 13 dargestellten modifizierten trape zoiden Kurven gebildeten Schraubenfedern 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 Schraubenfeder 10 fast keine Möglichkeit, daß Abweichungen zwischen Entwurfs- und tatsächlich gemessenem Werten auftreten. Signifikante Auswirkungen werden auch in bezug auf eine Verminderung der Anzahl der Herstellungsschritte und die Anzahl der für erfor derliche Versuche herzustellenden Schraubenfedern 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 parallele Teile 7 an den gegenüberliegenden Enden der Täler 3 zu ergänzen, so kann es kaum zum Knicken aufgrund der konzentrierten Belastung 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 Schraubenfeder 10, können Größe und Merkmale der Schraubenfeder 10 entsprechend den Einsatzbereichen trotz Vorhandensein der parallelen Teile 7 verändert werden.

Claims

1. Schraubenfeder mit wellenförmigen Federabschnitten, welche durch Aufwickeln eines Federmaterials mit flachem Quer schnitt gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die in axialer Richtung der Schraubenfeder (10) ge krümmten Bereiche (AB) der wellenförmigen Federabschnitte für das Erzielen eines linearen Zusammenhangs zwischen der auf die Schraubenfeder (10) ausgeübten Kraft und der da durch erzeugten Auslenkung der Schraubenfeder aus Klothoi den-Kurvenabschnitten (CLO) gebildet sind.

2. Schraubenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder gekrümmte Bereich (AB) zwischen einem Wellental (3) und einer Wellenspitze (2) der wellenförmigen Federab schnitte durch zwei verbundene identische, punktsymmetrisch angeordnete Klothoiden-Kurvenabschnitte gebildet ist.

3. Schraubenfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Tangenten in den Endpunkten der gekrümmten Bereiche (AB) mit den Tangenten der Anfangspunkte der sich daran anschließenden Bereiche fluchten.

4. Schraubenfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die gekrümmten Bereiche (AB) ebene, parallele Bereiche anschließen.