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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Schraubenfedervorrichtung mit den Merkmalen, die im Oberbegriff des
Patentanspruches 1 und 2 definiert sind. Eine derartige
Schraubenfedervorrichtung ist zur Benutzung in einem
Kraftfahrzeugaufhängungssystem oder einem Stoßabsorptionsmittel für verschiedene
Geräte geeignet.
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Schraubenfedern, wie Druckfedern und Zugfedern, werden in
verschiedenen Anwendungen benutzt. Wenn eine Last auf eine
herkömmliche Schraubenfeder angelegt wird, kann angenommen werden,
daß der Freiheitsgrad der Feder auf sechs Faktoren beruht,
einschließlich linearer Verschiebungen entlang der X-, Y-, und Z-
Achse, und Rotationsverschiebungen ψX, ψY und ψZ um die X-,
Y- und Z-Achse, wie in Fig. 20 gezeigt ist. Eine axiale Kraft Ps
entlang der Achse S des Drahtes 1, Torsionsmoment MS,
Scherungskraft Pη, Biegemoment Mη usw. werden in verschiedenen
Teilen des Drahtes 1 der Feder erzeugt. Folglich sind die durch
diese Kräfte erzeugten Spannungen nicht gleichförmig auf der
Oberfläche des Drahtes 1 in Bezug auf die Richtung des Pfeiles F
von Fig. 20 entlang des Drahtes verteilt.
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Bei einer im Stand der Technik gezeigten
Schraubenfedervorrichtung 2, die in Fig. 21 zum Beispiel gezeigt ist, sind
Endwindungen 4 und 5 einer Schraubenfeder 3 mittels Federsitzen 6 und
7 so verbunden, daß eine vertikale Last auf die Feder 3 über die
Sitze 6 und 7 ausgeübt wird. Wenn der obere Federsitz 6 zu dem
unteren Federsitz 7 zum Beispiel gepreßt wird, wird die
Schraubenfeder 3 in den sogenannten parallel zusammengepreßten Zustand
gebracht. Da die Endwindungen 4 und 5 fest sind und an der
Rotation durch die Federsitze 6 und 7 gehindert sind, kann sich
die Feder 3 nur in die Richtung der Z-Achse in Fig. 20 bewegen.
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Eine Untersuchung der Spannung in der Richtung entlang des
Drahtes 1 der Schraubenfeder 3 im parallel zusammengepreßten
Zustand ergab eine wellige Spannungsverteilung, wie in Fig. 22
gezeigt ist. Als Beispiel kann die herkömmliche Schraubenfeder 3
einen Drahtdurchmesser von 9,5 mm, eine Windungszahl von 4,0,
einen Windungsabstand von 80 mm, eine freie Höhe von 320 mm und
eine angelegte Last von 160 kgf aufweisen. Fig. 22 zeigt die
maximale Innenhauptspannung und die maximale
Innenscherungsspannung. Es ist bekannt, daß die maximale Außenhauptspannung
und die maximale Außenscherungsspannung sich auf ähnliche Weise
verhalten.
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Wenn die Welligkeit der Spannungsverteilung so bemerkenswert
ist, wie es der Fall bei der herkömmlichen
Schraubenfedervorrichtung 2 ist, wird eine extrem hohe Spannung lokal an einige
Bereiche der Oberfläche des Drahtes 1 angelegt. Wenn diese
Oberflächenbereiche irgendwelche Oberflächendefekte, wie
Kratzer, aufweisen, besteht die Gefahr, daß der Draht bricht.
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Die veröffentlichte ungeprüfte japanische patentveröffentlichung
60-85003 (Beispiel 1 aus dem Stand der Technik) wird als ein
herkömmliches Beispiel einer Verbesserung einer Endlagerstruktur
für einen Schraubenfederdraht vorgeschlagen. Bei diesem Beispiel
ist ein Ende des Federdrahtes mittels eines Tragelementes, wie
eine Stahlkugel, zum Drehen in alle Richtungen getragen, wodurch
eine an dem Drahtende erzeugte Biegungsspannung verringert wird.
Bei einer in der veröffentlichten ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichung 56-60707 (Beispiel 2 aus dem Stand der
Technik) offenbarten Aufhängungsfeder sind weiter Federsitze zum
Halten einer Schraubenfeder jeweils schwenkbar mittels eines
Stiftes oder einer Stahlkugel getragen, wodurch ein Biegemoment
auf die Feder aufgehoben wird. Bei den Beispielen 1 und 2 aus
dem Stand der Technik wird die Spannungsverteilung in die
Richtung entlang des Drahtes 1 überhaupt nicht in Betracht
gezogen.
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Wenn das Drahtende zur Drehung in alle Richtungen wie beim
Beispiel 1 aus dem Stand der Technik getragen ist, wird die
Konstruktion des Drahtendetragemittels kompliziert, und die
Unterstützung unterliegt der Gefahr, unstabil zu werden. Obwohl iin
Beispiel 1 die Feder eine Last in die Richtung der Kompression
auf nehmen kann, kann das Drahtende nicht für eine Last in die
Zugrichtung verbunden werden.
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Bei der Schraubenfedervorrichtung, die in der japanischen
Patentveröffentlichung JP-A-56-60707 offenbart ist, die als
relevanter Stand der Technik zum Formulieren des Oberbegriffes des
Patentanspruches 1 und 2 benutzt wurde, benötigt die Feder
Endwindungen und Federsitze. Wenn der Draht zusammengepreßt wird,
werden daher die Endwindungen und die Sitze in Kontakt
miteinander gebracht, wodurch ein Fangen verursacht wird mit folgenden
Geräuschen. Da die Federsitze und die Endwindungen schwer im
Gewicht sind, wird die gesamte Schraubenfedervorrichtung
unvermeidlich schwer.
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Das Dokument EP-A-0 135 807 offenbart eine Schraubenfeder, deren
eines Ende in einer Verbindung so aufgehängt ist, daß Biegen der
Schraubenfeder vermieden werden kann. Bei einer besonderen
Ausführungsform dieser Verbindung wird ein Ende der Schraubenfeder
nach innen gebogen und nimmt einen halbzylindrischen
schalenförmigen Abschnitt so auf, daß eine Rotation des Endes innerhalb
des Tragabschnittes möglich ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Schraubenfedervorrichtung vorzusehen, die im wesentlichen die Spannungen
auf der Oberfläche einer Feder ausgleichen kann, die entlang
eines Drahtes verteilt sind, obwohl ein Endtragmechanismus mit
einer einfachen Konstruktion benutzt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schraubenfedervorrichtung,
die in Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2 definiert ist.
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Gemäß der Schraubenfedervorrichtung der vorliegenden Erfindung
kann die Spannungsverteilung entlang des Drahtes ausgeglichen
werden, so daß die Feder nicht leicht bricht, und die Federenden
können stabil getragen werden. Da Endwindungen und Federsitze
unnötig sind oder einfach in der Konstruktion sind, kann die
Vorrichtung im Gewicht verringert werden, und Einklemmungen
können verringert oder vermieden werden. Die Endtragmittel für
die Schraubenfeder können kompakt gemacht werden.
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Die Erfinder hierfür untersuchten die Spannungsverteilung
entlang des Drahtes, die erreicht wurde, wenn eine Last auf die
Schraubenfeder ausgeübt wurde. Daraufhin wurde es
unerwarteterweise gefunden, daß die Spannungen in die Richtungen entlang des
Drahtes im wesentlichen ausgeglichen werden können, indem die
Drahtenden zur Rotation nur in eine Richtung getragen werden.
Somit kann die Exzentrizität der angelegten Last sehr
geringfügig gemacht werden, indem nur die Rotation der Schraubenenden
um Achsen freigegeben wird, die sich zu der Schraubenmittelachse
erstrecken, ohne daß die Rotationsversetzungen ψX, ψY und ψZ
freigegeben werden, die zuvor erwähnt wurden.
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Eine Schraubenfedervorrichtung der vorliegenden Erfindung, die
zum Lösen der obigen Aufgabe im Hinblick auf diese Überlegungen
entwickelt worden ist, weist eine Schraubenfeder, die aus einem
Spiraldraht mit einem ersten und einem zweiten Ende gebildet
ist, und ein Paar von Endtragmechanismen, die individuell das
erste und zweite Ende des Drahtes tragen, auf. Zwei
gegenüberliegende Enden der Schraubenfeder, das heißt, das erste und das
zweite Ende des Drahtes, werden mittels ihrer entsprechenden
Endtragmechanismen so getragen, daß sie rotierbar um ihre
entsprechenden Durchmesserachsen sind, die sich zu einer
Schraubenmittelachse erstrecken. Die paarweise vorhandenen
Tragmechanismen sind in eine Richtung derart bewegbar, daß sie sich
nähern können oder voneinander entfernen können. Wenn eine Last
in die Richtung der Schraubenachse auf die Schraubenfeder über
die Endtragmechanismen angelegt wird, biegt sich die Feder so,
daß sich das erste und zweite Ende des Drahtes um die
Durchmesserachsen
drehen, wodurch die Spannungsverteilung entlang des
Drahtes ausgeglichen wird.
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Diese Erfindung kann vollständiger aus der folgenden
detaillierten Beschreibung verstanden werden, wenn sie in Zusammenhang
mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, in denen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer
Schraubenfedervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist;
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Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte
Schraubenfedervorrichtung ist;
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Fig. 3 eine Frontansicht ist, die einen Endabschnitt der in Fig.
1 gezeigten Schraubenfedervorrichtung zeigt;
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Fig. 4 eine perspektivische Explosionsansicht eines
Endträgermechanismus der in Fig. 1 gezeigten Schraubenfedervorrichtung
ist;
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Fig. 5 eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie V-V von
Fig. 3 genommen ist;
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Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Aufhängungssystemes
ist, das die in Fig. 1 gezeigte Schraubenfedervorrichtung
benutzt;
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Fig. 7 bis 10 Diagramme sind, die einzeln die
Spannungsverteilungen eines Drahtes der in Fig. 1 gezeigten
Schraubenfedervorrichtung zeigen;
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Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer
Schraubenfedervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist;
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Fig. 12 eine Draufsicht der in Fig. 11 gezeigten
Schraubenfedervorrichtung ist;
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Fig. 13 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, ist, die die
in Fig. 11 gezeigte Schraubenfedervorrichtung zeigt;
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Fig. 14 eine Frontansicht eines Tragteiles der in Fig. 11
gezeigten Schraubenfedervorrichtung ist;
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Fig. 15 ein Diagramm ist, das die Spannungsverteilungen eines
Drahtes der in Fig. 11 gezeigten Schraubenfedervorrichtung
zeigt;
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Fig. 16 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, ist, die einen
Teil einer Schraubenfedervorrichtung gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 17 ein Diagramm ist, das die Spannungsverteilungen eines
Drahtes der in Fig. 16 gezeigten Schraubenfedervorrichtung
zeigt;
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Fig. 18 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, ist, die einen
Teil einer Schraubenfedervorrichtung gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 19 ein Diagramm ist, das Spannungsverteilungen eines
Drahtes der in Fig. 18 gezeigten Schraubenfedervorrichtung zeigt;
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Fig. 20 ein Diagramm ist, das einen Teil eines Drahtes einer
Schraubenfeder und die Richtungen der Spannungen, die in dem
Draht erzeugt sind, zeigt;
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Fig. 21 eine Schnittansicht einer Schraubenfedervorrichtung nach
dem Stand der Technik ist; und
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Fig. 22 ein Diagramm ist, das die Spannungsverteilungen in einem
Draht der in Fig. 21 gezeigten Vorrichtung nach dem Stand der
Technik zeigt.
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Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen von 1 bis 10
beschrieben.
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Eine in Fig. 1 gezeigte Schraubenfedervorrichtung 10 weist eine
aus einem Spiraldraht 1 gebildete Schraubenfeder 13 mit einem
ersten und einem zweiten Ende 11 und 12 und Endtragmechanismen
15 und 16 zum Tragen des ersten Endes 11 bzw. zweiten Endes 12
auf. Obwohl die Schraubenfeder 13 der vorliegenden
Ausführungsform wie eine herkömmliche Schraubenfeder aus Federstahl gemacht
ist, kann sie alternativ aus Keramiken oder irgendeinem anderen
Material als Federstahl gemacht sein. Der Draht 1 kann entweder
massiv oder hohl sein. Als ein Beispiel kann die Feder 13 eine
zylindrische Schraubenfeder mit gleichförmiger Steigung, einem
Drahtdurchmesser von 9,5 mm, einer Windungszahl von 4,0, einem
Steigungsabstand von 80 mm und einer freien Höhe von 320 mm
sein. Das erste und das zweite Ende 11 und 12 des Drahtes 1
erstrecken sich in die Richtung des Pfeiles B in Fig. 2, der eine
Tangente zu dem Umfang der Schraubenfeder 13 ist.
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Da die Endtragmechanismen 15 und 16 die gleiche Konstruktion
aufweisen, wird nur beispielhaft der in Fig. 3 bis 5 gezeigte
Mechanismus 16 beschrieben. Ein Paar von Tragteilen 21 und 22
ist auf einer Basis 20 des Tragmechanismus 16 angeordnet, und
ein Wellenteil 25 ist in Löcher 23 und 24 eingeführt, die durch
die Teile 21 bzw. 22 gebohrt sind. Das Wellenteil 25 wird von
den Tragteilen 21 und 22 so getragen, daß es drehbar um eine
Durchmesserachse A2 ist, die sich zu der Mittelachse C
(entsprechend der Z-Achse von Fig. 20) der Schraubenfeder 13
erstreckt. Damit die Rotation des Wellenteiles 25 glatt gemacht
wird, können Kragen 26 und 27 zwischen der inneren Oberfläche
der Löcher 23 und 24 des Teiles 25 und den Tragteilen 21 bzw. 22
vorgesehen sein.
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Ein Durchgangsloch 30 ist durch die Mitte des Wellenteiles 25 in
Bezug auf dessen axiale Richtung gebohrt. Ein verengter
Endabschnitt 31 der Schraubenfeder 13 ist in das Loch 30 so
eingepaßt, daß der Endabschnitt 31 an der Rotation um die Achse des
Endes 12 des Drahtes 1 gehindert wird. In anderen Worten, das
Teil 25 ist an dem Ende 12 des Drahtes 1 befestigt. Die beiden
Tragmechanismen 15 und 16 sind relativ zueinander in die axiale
Richtung der Feder 13 so bewegbar, daß sie sich einander nähern
und voneinander weg bewegen können.
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Wenn die Schraubenfedervorrichtung in einer
Kraftfahrzeugaufhängung zum Beispiel benutzt wird, wird die Basis 20 des oberen
Tragmechanismus 15 an einem Karosserieteil 32 befestigt, während
die Basis 20 des unteren Tragmechanismus 16 an einem Sitz 34
befestigt ist, der an einem Stoßdämpfer 33 angebracht ist, wie
in Fig. 6 gezeigt ist. Der Dämpfer 33 enthält ein erstes Teil
33a, das an der Karosserieseite befestigt ist, und ein zweites
Teil 33b, das sich relativ zu dem ersten Teil 33a in die axiale
Richtung hin und her bewegen kann. Das untere Ende des zweiten
Teiles 33b ist mit einem Nabenträger (nicht gezeigt) als ein
Beispiel eines Achsenteiles oder einem unteren Arm (nicht
gezeigt) verbunden. Die Basis 20 des unteren Tragmechanismus 16
kann alternativ an dem Nabenträger oder dem unteren Arm
angebracht sein.
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Wenn eine vertikale Last (Fig. 6) an die Schraubenfeder 13 über
die Endtragmechanismen 15 und 16 angelegt ist, wird die Feder 13
in den sogenannten parallel zusammengepreßten Zustand gebracht.
Wenn sich die Feder 13 biegt, dreht sich das Wellenteil 25, das
an dem ersten Ende 11 befestigt ist, um eine erste
Durchmesserachse A1, während sich das Wellenteil 25, das an dem zweiten
Ende 12 befestigt ist, um die zweite Durchmesserachse A2 dreht.
Fig. 7 bis 10 zeigen Resultate einer tatsächlichen Messung der
Spannungsverteilung in die Richtung eines Pfeiles F entlang des
Drahtes 1 der Schraubenfeder 13. Die in diesem Falle angelegte
Last beträgt 160 kgf. Fig. 7, 8, 9 und 10 zeigen die maximale
Innenhauptspannung, die maximale Innenscherspannung, die
maximale Außenhauptspannung bzw. die maximale Außenscherspannung.
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Wie aus diesen gemessenen Werten zu sehen ist, ist die
Spannungsverteilung in die Richtung entlang des Drahtes 1 der
Schraubenfedervorrichtung 10 gleichmäßig. Die maximale Spannung
ist ungefähr 15 % niedriger als die der herkömmlichen
Vorrichtung (Fig. 21). Folglich kann die Vorrichtung 10 der
vorliegenden Ausführungsform weniger leicht als die herkömmliche
brechen. Was die Ermüdungslebensdauer angeht, so ist sie mehr
als zweimal so hoch wie die der herkömmlichen Vorrichtung.
Genauer gesagt, während die herkömmliche Vorrichtung brach,
nachdem sie wiederholten Spannungszyklen von 7 x 10&sup4; unterworfen
war, brach die Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung, deren
Spannungsamplitude um z.B. ungefähr 10 kgf reduziert war,
nachdem sie Spannungszyklen von 1,8 x 10&sup5; unterworfen war.
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Da die Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform im Gegensatz
zu der herkömmlichen keine Endwindungen oder unförmige
Federsitze braucht, kann eine gerade Last-Biegungs-Charakteristik
(lineare Federcharakteristik) erhalten werden, wenn eine
Kompressionslast angelegt wird. Wenn die Zahl der Windungen fest
ist, ist die Federkonstante der Vorrichtung dieser
Ausführungsform etwas kleiner. In anderen Worten, die Zahl der Windungen
kann für die gleiche Federkonstante verringert werden, das
heißt, die Vorrichtung kann im Gewicht verringert werden. Die
Schraubenfeder 13 der vorliegenden Erfindung, die keine
Endwindungen benötigt, kann ungefähr 27 % im Gewicht leichter sein
als die herkömmliche Feder. Wenn die Federkonstante fest ist,
kann das Gewicht weiter um ungefähr 4 % verringert werden. Da
die kompakten Tragmechanismen 15 und 16 anstelle der unförmigen
Federsitze benutzt werden, kann das Gewicht weiter reduziert
werden, und der Anbringungsraum für die Feder kann mit
Leichtigkeit gesichert werden. Weiterhin kann Klopfen nicht mehr
durch den Kontakt zwischen den Endwindungen und den Federsitzen
verursacht werden.
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Fig. 11 bis 14 zeigen eine zweite Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Bei dieser zweiten Ausführungsform weist der
Draht 1 der Schraubenfeder 13 inwärtige Armabschnitte 40 und 41
in seinen Bereichen, die das erste Ende 11 bzw. das zweite Ende
12 einschließen, auf. Die Armabschnitte 40 und 41 erstrecken
sich linear um eine Länge L1 zu der Schraubenmittelachse C. Die
Länge L1 ist ein wenig länger als der Radius der Schraube der
Feder 13. Die Enden 11 und 12 des Drahtes 1 werden durch die
Tragmechanismen 15 und 16 getragen, die Tragteile 42 bzw. 43
aufweisen. Die Tragteile 42 und 43 dieser Ausführungsform weisen
Löcher 45 bzw. 46 auf, durch die die Enden 11 und 12 des Drahtes
1 so eingeführt sind, daß sie drehbar um die Achsen der Enden 11
und 12 sind, das heißt, um Durchmesserachsen A1 und A2, die sich
zu der Mittelachse C erstrecken. Beide Tragteile 42 und 43 sind
nahe der Mittelachse C angeordnet. Wenn sich die Schraubenfeder
13 biegt, während sich die Teile 42 und 43 in die Richtung, in
der sie sich einander nähern, bewegen, drehen sich die Enden 11
und 12 des Drahtes 1 um die Achse des Drahtes 1, das heißt, die
Durchmesserachsen A1 bzw. A2. Fig. 15 zeigt die
Spannungsverteilungen dieser Ausführungsform. Auch bei dieser zweiten
Ausführungsform können die Spannungsverteilungen gleichmäßig genug
gemacht werden im Vergleich mit dem herkömmlichen Fall.
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Fig. 16 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Bei dieser dritten Ausführungsform weist der Draht 1
inwärtige Armabschnitte 50 und 51 der Länge L2 in seinen
Bereichen auf, die das erste Ende 11 bzw. das zweite Ende 12
enthalten. Die Länge L2 ist kürzer als die Länge L1 der inwärtigen
Armabschnitte 40 und 41 der zweiten Ausführungsform. Somit ist
L2 kürzer als der Radius der Schraube der Feder 13. Bezüglich
der anderen grundsätzlichen Anordnungen ist die dritte
Ausführungsform auf die gleiche Weise wie die zweite Ausführungsform
ausgelegt. Fig. 17 zeigt die Spannungsverteilungen entlang des
Drahtes 1, die erhalten wird, wenn eine Last auf die
Schraubenfeder 13 der dritten Ausführungsform ausgeübt wird.
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Fig. 18 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Eine Länge L3 von inwärtigen Armabschnitten 60 und 61
des Drahtes 1 dieser vierten Ausführungsform ist länger als die
Länge L1 der inwärtigen Armabschnitte der zweiten
Ausführungsform. Die Armabschnitte 60 und 61 erstrecken sich linear von dem
Umfang der Schraubenfeder 13 zu der Schraubenmittelachse C. Die
Länge L3 ist länger als der Radius der Schraube der Feder 13.
Bezüglich der anderen grundsätzlichen Anordnungen und Funktionen
ist die vierte Ausführungsform in der gleichen Weise wie die
zweite Ausführungsform ausgelegt. Fig. 19 zeigt die
Spannungsverteilungen entlang des Drahtes 1, die erhalten wird, wenn eine
Last auf die Schraubenfeder 13 der vierten Ausführungsform
ausgeübt wird.
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Eines der Enden 11 und 12 der Schraubenfeder 13 gemäß jeder der
zweiten bis vierten Ausführungsformen kann mittels der
Endtragmechanismen 15 und 16 getragen werden, die in Bezug auf die
erste Ausführungsform beschrieben sind. Bei den oben beschriebenen
Ausführungsformen kann die Erstreckungsrichtung der
Durchmesserachsen A1 und A2 etwas von der Schraubenmittelachse C
abweichen, ohne daß der Umfang oder der Geist der Erfindung verlassen
wird.