DE69105327T2

DE69105327T2 - Schraubenfeder mit Elastomer mit hohlem Querschnitt.

Info

Publication number: DE69105327T2
Application number: DE69105327T
Authority: DE
Inventors: Joan C Balsells; Peter J Balsells
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2011-03-20
Also published as: US5160122A; DE69105327D1; EP0450392A1; EP0450392B1; ATE114790T1; JPH0712163A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf eine Federanordnung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 11 und auf ein Verfahren zum Herstellen einer Federanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17. Eine Federanordnung dieser Art ist aus dem U.S. Patent Nr. 4,655,462 von Balsells bekannt.
Es ist wohlbekannt, daß gekippte Schraubenfedern (Federn mit gekippten Windungen) hergestellt werden können, so daß innerhalb eines bestimmten Ablenkungsbereichs die entwickelte Kraft relativ konstant bleibt und die Vorteile dieser Arten von Federn sind in der U.S. 4,655,462 aufgezeichnet. Obwohl die Windungsgröße, Windungsabstand, Drahtdurchmesser, Winkel der Windungen, in dem sie gekippt sind in bezug auf eine Mittellinie der Feder in großem Umfang untersucht wurden, um die federnden Eigenschaften der Feder an die Anforderungen der vorgeschlagenenen Anwendung anzupassen, gehen die Untersuchungen weiter, um einen größeren Bereich von federelastischen Eigenschaften bereitzustellen, um die Nützlichkeit der gekippten Schraubenfedern in der Industrie auszuweiten.
Bis jetzt wurde jedoch noch kein Versuch unternommen, elastisches oder synthetisches Material zu verwenden, um die durch die Federanordnung ausgeübte Kraft in Reaktion auf eine Ablenkung der Feder entlang einer Belastungsrichtung zu modifizieren. Die vorherige Verwendung von Kunststoffmaterial in Verbindung mit einer Feder mit gekippten Windungen war auf die Verwendung einer in ein elastisches Material eingebettete Feder mit gekippten Windungen, um diese zu verstärken, beschränkt, wodurch jegliche Last-Ablenkungs-Charakteristiken der Feder verloren gingen.
Es ist wohl bekannt, daß, wenn ein O-Ring belastet ist, die entwickelte Kraft dadurch im allgemeinen direkt proportional zur Ablenkung ist, wie im Fall des U.S. Patents Nr. 3,183,010 von Bram, wenn die Schraubenfeder in dem O-Ring- Elastomer eingebettet ist, bietet diese nur in Kombination hiermit eine höhere Kraft, die direkt proportional zur Ablenkung ist. Somit gehen bei dieser Kombination jegliche Vorteile, die eine Schraubenfeder ansonsten bietet, verloren.
Aufgrund der oben genannten Nachteile beim Stand der Technik, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Federanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Federanordnung gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1, 11 und 17 bereit zustellen, die nicht nur die wichtigen Kraft-Ablenkungs-Charakteristiken der Schraubenfeder erhalten, sondern auch verwendet werden können, um deren vorteilhafte Eigenschaften zu verbessern und außerdem das Anpassen der Kombination an die Anforderungen der Vorrichtungsanordnungen zu erleichtern, die nur durch eine Schraubenfeder allein, einen O-Ring oder eine Kombination von diesen nicht möglich ist.
Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Teile von Ansprüchen 1, 11 und 17 in Kombination mit ihren jeweiligen Oberbegriffen erreicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Federanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist im allgemeinen eine Vielzahl von Spuleneinrichtungen auf, die miteinander in beabstandetem Verhältnis verbunden sind, um zu bewirken, daß die Federanordnung in Reaktion auf eine Ablenkung der Spulenanordnung entlang der Belastungsrichtung eine Kraft in eine Belastungsrichtung ausübt, die ungefähr normal zu einer Tangente deren Mittellinie ist. Ein elastisches Material wird um die und zwischen die Vielzahl der Spuleneinrichtungen angeordnet und ein hohler Querschnitt wird bereitgestellt, um die durch die Federanordnung in Reaktion auf die Ablenkung der Feder entlang der Belastungsrichtung ausgeübte Kraft zu modifizieren. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vielzahl der Spulen so miteinander verbunden, daß bewirkt wird, daß die Federanordnung eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung ungefähr normal zu einer Tangente der Mittellinie ausübt.
Bei dieser Erfindung kann das elastische Material generell rohrförmig sein und die Vielzahl der Spuleneinrichtungen kann innerhalb des generell rohrförmigen elastischen Materi- als angeordnet sein. Insbesondere kann die Spuleneinrichtung in einem spitzen Winkel zu einer Mittellinie und innerhalb des elastischen Material in einem gestreckten beabstandeten Verhältnis angeordnet sein, in welchem Falle das elastische Material genügend Widerstand hat, um die Vielzahl der Spulen in dem gestreckten beabstandeten Verhältnis zu halten. Der Abstand zwischen den Spuleneinrichtungen in dem gestreckten beabstandeten Verhältnis kann größer sein als der Abstand zwischen den Spuleneinrichtungen, wenn sie nicht von dem elastischen Material in einem beabstandeten Verhältnis gehalten sind.
Alternativ dazu kann die Feder in dem elastischen Material in einem vorbelasteten Zustand angeordnet werden, in welchem die Vielzahl von Spulen entlang der Belastungsrichtung abgelenkt sind. Dies muß von dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel unterschieden werden, bei welchem die Spulen in einer gestreckten Anordnung sind, jedoch nicht entlang der Belastungsrichtung abgelenkt sind während sie in dem elastischen Material angeordnet sind. Durch Strecken der hohlen mit Elastomer gefüllte Feder kann eine Kombination von radialer und Kompressions-Belastung entwickelt werden, die wesentlich verbesserte Abdichtungsmöglichkeiten bietet, insbesondere wenn die Belastung radial auf einem Schaft oder dergleichen erfolgt.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Spuleneinrichtung einen ovalen Umkreis haben und das elastische Material kann eine Einrichtung zum Definieren eines kreisförmigen hohlen Mittelabschnitts davon aufweisen. Alternativ dazu kann das elastische Material eine Einrichtung zum Definieren einer Vielzahl von hohlen Bereichen innerhalb des elastischen Materials und in der Vielzahl der Spuleneinrichtungen aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine elastische Schicht vorgesehen sein, die an der Vielzahl der Spuleneinrichtungen vorgesehen ist, um die Größe der generell konstanten Kraft, die von der Vielzahl der Spulen in Reaktion auf eine Ablenkung der Federanordnung entlang der Belastungsrichtung ausgeübt wird, zu modifizieren.
Die elastische Einrichtung kann eine Einrichtung aufweisen, die eine vorm von dieser definiert, um die Vielzahl der Spulen so anzuordnen, daß die Belastungsrichtung ungefähr senkrecht zur Mittellinien-Tangente ist. Die Form der elastischen Einrichtung kann abhängige Abschnitte beinhalten, die wesentlich größer sind als der Durchmesser der Vielzahl der Spuleneinrichtungen, um deren Anordnung zu bewirken.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Federanordnung eine erste Vielzahl von Spuleneinrichtungen wie oben beschrieben aufweisen und eine zweite Vielzahl von Spuleneinrichtungen, die miteinander in einem beabstandeten Verhältnis verbunden sind und innerhalb der erste Vielzahl von Spuleneinrichtungen zusammenwirkend mit diesen angeordnet ist, um zu bewirken, daß die Federanordnung eine generell konstante Kraft in einer Belastungsrichtung ungefähr normal zu einer Mittellinie der ersten und zweiten Vielzahl von Spuleneinrichtungen in Reaktion auf eine Ablenkung der Federanordnung entlang der Belastungsrichtung ausübt.
Die erste und zweite Spuleneinrichtung kann in derselben Richtung entlang einer gemeinsamen Mittellinie oder in entgegengesetzte Richtung entlang einer gemeinsamen Mittellinie gekippt sein. Weiterhin kann mindestens eine der ersten und zweiten Vielzahl von Spuleneinrichtungen in dem elastischen Material in einem voneinander beabstandeten Verhältnis, wie oben beschrieben, angeordnet sein oder alternativ dazu kann mindestens eine der ersten und zweiten Vielzahl von Spuleneinrichtungen in dem elastischen Material in einem vorbelasteten Zustand, wie oben beschrieben, angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung bietet ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung, welche das Produzieren eines Drahts zur Herstellung von in beabstandetem Verhältnis miteinander verbundenen Spulen und danach das Anordnen eines Elastomer-Materials in den und um die Spulen herum beinhaltet, während der innere Abschnitt der Spulen entlang ihrer Mittellinie nicht gefüllt wird. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet bei dem Herstellungsverfahren einen Schritt, bei dem die Enden des Drahtes und das elastische Material zusammengefügt werden, um eine kontinuierliche Federanordnung zu bilden. Außerdem kann ein Schritt vorgesehen sein, bei dem die Spulen abgelenkt werden, während das elastische Material in und um die Spulen herum angeordnet wird. Weiterhin kann ein Schritt vorgesehen sein, der das Strecken der Spulen voneinander weg beinhaltet, wohingegen das elastische Material in den und um die Spulen herum angeordnet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise abgeschnittene perspektivische Ansicht einer Federanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, die generell eine Vielzahl von Spuleneinrichtungen aufweist, die innerhalb eines elastischen Materials mit einem hohlen Mittelpunkt angeordnet ist;
Fig. 1a eine teilweise abgeschnittene Ansicht der Federanordnung der Fig. 1 mit einem flüchtigen Material darin, das später in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung entfernt wird;
Fig. 1b eine Ausführungsform einer runden Federanordnung der vorliegenden Erfindung, gefüllt mit einem Elastomer mit einem hohlen Kern;
Fig. 2 eine axial gekippte Schraubenfeder gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Windungen im Uhrzeigersinn gekippt sind;
Fig. 3 eine Ansicht entlang der Linie 3-3 der in Fig. 2 gezeigten Feder, die einen hinteren Winkel an einem Innendurchmesser der Feder und einen vorderen Winkel an einem Außendurchmesser der Feder zeigt;
Fig. 4 eine Feder gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Windungen entgegen dem Uhrzeigersinn gekippt sind;
Fig. 5 eine Ansicht der Feder der Figur 4 entlang der Linie 5-5, die einen hinteren Winkel an einem Außendurchmesser der Feder und einen vorderen Winkel an dem Innendurchmesser der Feder zeigt;
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine radiale Feder gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Uhrzeigersinn entlang ihrer Mittellinie gekippt ist und der hintere Winkel oben ist;
Fig. 7 eine radiale Feder mit gekippten Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Windungen entgegen dem Uhrzeigersinn des unten angeordneten hinteren Winkels gekippt sind;
Fig. 8 eine typische Belastungs-Ablenkungskurve für eine Federanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Definieren deren Nomenklatur;
Fig. 9 eine axiale Feder mit einer unregelmäßigen Form gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem hohlen Inneren;
Fig. 10-13 verschiedene innere Querschnitts-Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14-16 Variationen von Einkapselungen der erfindungsgemäßen Spulen mit einem Elastomer;
Fig. 17 eine Feder gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Vielzahl von Spulen, die deren bestimmte Dimensionen zeigen;
Fig. 18 Kurven, die die Wirkung des ausgehöhlten elastischen Materials an der Kraft-Ablenkungs-Kurve einer Feder mit gekippten Windungen;
Figuren 19A-C im Querschnitt eine innerhalb eines Elastomers in einem vorbelasteten Zustand angeordnete Feder;
Fig. 20 die Wirkung auf die Kraft-Ablenkungs-Kurve einer von dem Elastomer in einem vorbelasteten Zustand gehaltenen Feder;
Figuren 21A-C eine Feder in einer freien Position und in ein Elastomer in einer gestreckten Anordnung eingebettet;
Fig. 22 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine erste Vielzahl von Spulen mit einem elastischen Material darum und eine zweite Vielzahl von Spulen, die koaxial darin mit einem elastischen Material herum angeordnet sind, zeigt;
Figuren 23a und b Ansichten einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ähnlich zu der in Fig. 22 gezeigten, wobei die erste und zweite Vielzahl von Spuleneinrichtungen in derselben Richtung entlang einer gemeinsamen Mittellinie gekippt sind und voneinander beabstandet sind;
Figuren 24a und b eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die erste und zweite Vielzahl von Spuleneinrichtungen in entgegengesetzte Richtungen gekippt sind und das elastische Material wesentlich größere Abmessungen hat als der Durchmesser der Vielzahl der Spulen, wodurch eine Einrichtung zum Positionieren der Vielzahl der Spulen bereitgestellt wird, so daß die Belastungsrichtung ungefähr senkrecht zur Mittellinien-Tangente ist;
Fig. 25 eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Befestigung der Federanordnung gezeigt ist unter Verwendung von Abschnitten eines elastischen Teils zum Anordnen der Spulen;
Fig. 26 eine Querschnittsansicht der Fig. 25 entlang der Linie 26-26; und
Fig. 27 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der eine wechselnde Form des elastischen Teils gezeigt ist.

Detaillierte Beschreibung

In bezug nun auf Figuren 1a und 1b ist generell eine Federanordnung 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt, die eine Vielzahl von Spulen 12 aufweist, die miteinander beabstandet verbunden sind, um zu bewirken, daß die Federanordnung 14 eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung normal zu einer Tangente einer Mittellinie 16 ausübt, wie im folgenden im einzelnen beschrieben wird. Ein elastisches Material 18, das um die und zwischen der Vielzahl der Spulen 12 angeordnet ist, weist einen hohlen Querschnitt 20 auf, der eine Einrichtung zum Modifizieren der durch die Federanordnung 14 in Reaktion auf eine Ablenkung der Federanordnung 10 entlang einer Belastungsrichtung ausgeübte Kraft bereitstellt, wie im folgenden im einzelnen beschrieben. Wie in Fig. 1b gezeigt kann die Federanordnung 14 kreisförmige Spulen oder Windungen aufweisen, die nicht zu ihrer Mittellinie hin gekippt sind, oder wie nachfolgend beschrieben, gekippte Spulenanordnungen.
Figuren 2 bis 7 zeigen eine Anzahl von gekippten Spulenanordnungen 30, 32, 34, 36, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, wobei jede eine Vielzahl von Spulen 38, 40, 42, 44 aufweist. Die Spulen der Federn 30 und 32 sind so miteinander verbunden, daß sie eine kreisförmige Feder mit primären Belastungs-Ablenkungs-Charakteristiken entlang einer axialen Richtung der kreisförmigen Feder 30, 32 bilden. Die in Figuren 2 und 3 gezeigte Feder 30 hat eine im Uhrzeigersinn gekippte Spule, wobei die Spulen 38 so miteinander verbunden sind, daß ein hinterer Winkel 48, der einen hinteren Abschnitt 50 definiert, entlang einem Innendurchmesser 52 der Feder 30 ist und ein vorderer Winkel 56, der einen vorderen Abschnitt 58 der Spule 30 definiert entlang einem Außendurchmesser 60 der Spule 30 ist.
In bezug auf die Figuren 4 und 5 hat die axiale Feder 32 darin Spulen 40, die so miteinander verbunden sind, daß sie entgegen dem Uhrzeigersinn gekippte Spulen mit einem hinteren Winkel 64 aufweist, der einen hinteren Abschnitt 66 entlang einem Innendurchmesser 68 der Feder 32 und einen vorderen Abschnitt 70, der einen vorderen Abschnitt 72 entlang einem Außendurchmesser 74 der Spule 32 definiert.
In bezug nun auf Figuren 6 und 7 sind Federn 34, 36 gezeigt, die eine Vielzahl von Spulen 42, 44 aufweisen, die so miteinander verbunden sind, daß sie eine kreisförmige Feder bilden, die eine primäre Belastungs-Ablenkungs-Charakteristik entlang einer radialen Richtung, angezeigt durch Pfeile 76 bzw. 78 hat. Wie in Fig. 6 gezeigt sind die Spulen so miteinander verbunden, daß sie in Uhrzeigerrichtung gekippt sind mit einem hinteren Winkel 82, der einen hinteren Abschnitt 84 entlang einem oberen Teil 86 detiniert und einem vorderen Winkel 88, der einen vorderen Abschnitt 92, der entlang dem unteren Teil 100 der Feder 34 angeordnet ist, definiert.
Wie in Fig. 7 gezeigt, kann die Feder 36 alternativ dazu Spulen 44 aufweisen, die so verbunden sind, daß ein Kippen der Spulen in einer zum Uhrzeigersinn entgegengesetzten Richtung bewirkt wird mit einem hinteren Winkel 98, der einen hinteren Abschnitt 100 entlang einem unteren Teil 102 der Feder 36 definiert und einem vorderen Winkel 106, der einen vorderen Abschnitt 108 entlang einem oberen Teil 110 der Feder 36 definiert.
Wie im folgenden beschrieben, können alle Federn 30, 32, 34, 36 eine generell konstante Kraft-Ablenkungs-Charakteristik innerhalb einer Arbeitsabklenkung dieser haben.
Eine weitere strukturelle Anordnung der gekippten Spulenanordnungen 30, 32, 34, 36 ist ihre Ausrichtung innerhalb des Elastomers 18. Wie im U.S. Patent Nr. 4,893,795, veröffentlicht am 16.01.1990 von Balsells mit dem Titel "Radially loaded canted-coil springs with turn angle" (Radial belastete Federn mit gekippten Windungen mit Wicklungswinkel) beschrieben, kann die Federanordnung in einer Wicklungswinkelausrichtung durch das Elastomer gehalten werden.
Fig. 7a zeigt in schematischer Form einen Querschnitt der gekippten Schraubenfeder 34 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit einem Wicklungswinkel von θ, einer gemessenen Windungsbreite von C.W, einer gemessenen Windungshöhe von CH und einer gemessenen Federhöhe H der Feder 34. Wie in Figuren 7a gezeigt, kann der Wicklungswinkel im Uhrzeigersinn (fette Linie) oder entgegen dem Uhrzeigersinn sein (gestrichelte Linie). Der Wicklungswinkel θ kann als ein Winkel definiert sein, der von einer, je nach Position der Feder einen Kegel oder invertierten Kegel bildenden im wesentlichen kreisförmigen Feder gebildet wird, und wobei man den Wicklungswinkel für die Horizontale zum Schnitt durch die Mittellinie 112 der Feder 34 mißt.
Fig. 8 zeigt eine repräsentative die Last-Ablenkungs- Kurve A für Federn 30, 32, 34, 36, bei denen die Feder ein im allgemeinen lineares Belastungs-Ablenkungs-Verhältnis, wie durch das Liniensegment 124 gezeigt, aufweist, bis es einen minimalen Belastungspunkt 126 erreicht, nach welchem die Belastungs-Ablenkungskurve innerhalb einer Arbeitsablenkung 130 zwischen dem minimalen Belastungspunkt 126 und einem maximalen Belastungspunkt 132 relativ konstant bleibt. Zwischen dem minimalen Belastungspunkt 126 und dem maximalen Belastungspunkt 132 kann die Belastungs-Ablenkungskurve konstant sein oder einen leichten Anstieg, wie in Fig. 8 gezeigt, aufweisen.
Der Bereich zwischen dem minimalen Belastungspunkt 126 und dem maximalen Belastungspunkt 132 wird allgemein als Arbeitsbereich 130 der Feder bezeichnet. Die Feder 30, 32, 34, 36 ist normalerweise für den Betrieb innerhalb dieses Bereichs, wie durch den Punkt 134 angedeutet, belastet.
Eine Belastung der Feder 30, 32, 34, 36 über den maximalen Belastungspunkt 132 hinaus resultiert in einer abrupten Ablenkungsreaktion bis ein Anschlagpunkt 136 erreicht wird, was in einer permanenten Verformung der Feder als Ergebnis der Überbelastung resultiert. In Fig. 8 ist auch ein totaler Ablenkungsbereich von 138 dargestellt, der die Ablenkung zwischen dem Nullpunkt 140 und dem maximalen Belastungspunkt 132 darstellt.
Das Elastomer oder elastische Material 18 (siehe Fig. 1), das für die vorliegende Erfindung geeignet ist, kann ein beliebiges synthetisches oder natürliches Material sein, das nach Deformierung seine ursprüngliche Größe und Form wieder einnehmen kann. Das bedeutet, daß das Material federnd ist.
Während die in Fig. 1 gezeigte Federanordnung 10 eine im allgemeinen kreisförmige Form hat, sollte beachtet werden, daß jegliche unregelmäßige Form, wie die in Fig. 9 gezeigte Federanordnung möglich ist, so lange ihr Querschnitt hohl ist. Alternativ dazu mag die Feder 12 nicht zusammengefügt werden, wie z.B. in Fig. 1 gezeigt. In diesem Fall mag der Abschnitt von mit Elastomer beschichteten oder gefüllten Spulen bei Anwendungen, die für lineare Federn geeignet sind, verwendet werden.
Die Feder 14 kann durch ein beliebiges für das verwendete Elastomer geeignete Herstellungsverfahren gefüllt werden. Solche Verfahren beinhalten Extrusion, Gießen, Sprühen oder ein beliebiges anderes zum Einführen von Elastomer 18 in und um die Spulen 12 der Feder 14 herum geeignetes Verfahren, während entlang der Mittellinie 16 ein hohler Querschnitt 20 gelassen wird. Solche anderen Verfahren beinhalten die Verschmelzung von rohrförmigen Teilen (nicht gezeigt), von denen eines an der Innenseite der Feder 14 und eines an der Außenseite der Feder 14 angeordnet ist, wobei durch Verschmelzen der Teile die Abstände zwischen den Spulen 12 geschlossen werden.
Alternativ dazu kann das Elastomer 18 in und um die Spulen 12 herum gebildet sein, während eine Stange 11 aus einer flüchtigen Verbindung 150 innerhalb der Spulen 12 angeordnet ist. (Siehe Fig. 1a). Danach wird die flüchtige Verbindung aufgelöst oder durch Hitze oder eine Lösung entfernt, was im Stand der Technik bekannt ist.
In Figuren 10 bis 15 sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. In Fig. 10 sind Spulen 152 mit einem inneren Elastomer 154 gezeigt, wobei die Spulen 152 eine elliptische Form haben und das Elastomer 154 einen kreisförmigen Hohlraum 156 aufweist. Fig. 11 zeigt eIliptisch geformte Spulen 156 mit einem Elastomer 158 mit einem Versatz oder einer im allgemeinen rechteckigen hohlen Querschnittsöffnung 160 durch dieses, wohingegen die Fig. 12 elliptisch geformte Spulen 162 zeigt mit einem Elastomer 164 mit einer unregelmäßig geformten Öffnung 166 mit zwei im allgemeinen kreisförmigen Querschnittsflächen 168, 168'.
Wie oben erwähnt, kann das elastische Material in den Spulen 152, 156, 162 wie in Figuren 10, 11 und 12 angeordnet sein, oder alternativ wie in Fig. 13 gezeigt, kann ein Elastomer 168A auf einer Seite 170A der Spulen 172A angeordnet sein. Diese Ausführungsform ist sehr nützlich bei Anwendungen, bei denen eine größere Verteilung der Last auf der einen Seite 170A der Spulen 172A wünschenswert ist.
Andere Ausführungsformen 170, 172, 174 der vorliegenden Erfindung sind jeweils in Figuren 14 bis 16 gezeigt. Die Ausführungsformen 171, 172, 174 weisen Spulen 178, 180, 182 und Elastomere 186, 188, 190 auf. Die Ausführungsform 170 weist eine offene Fläche durch die Spulen 178 auf, um den Durchfluß von Flüssigkeit (nicht gezeigt) für die Druckvariations Kühlung oder Schmierung zu erleichtern.
Wie aus der Fig. 15 hervorgeht, kann das Elastomer 188 als Schicht sowohl innen 194 als auch außen 196 an der Spule 180 angeordnet werden, wohingegen in Fig. 16 das Elastomer 190 entlang der Außenseite und durch die Spulen 182 angeordnet ist. Alle diese Ausführungsbeispiele haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Kraft-Ablenkungs-Charakteristik der Ausführungsformen 171, 172, 174 je nach Anwendung der Ausführungsform 171, 172, 174.
Die Fähigkeit, eine relativ konstante Kraft innerhalb einer bestimmten Ablenkung beizubehalten wird durch eine Anzahl von Parametern beeinflußt, von denen alle berücksichtigt werden, zu denen der Querschnitt des Elastomers und dessen Verteilung darauf wie in Figuren 10 bis 16 gezeigt, die Dicke des Elastomers, die Flexibilität des Elastomers, der Verbindungsgrad zwischen den Federn 152, 154, 170, 186, 188, 190 und entsprechenden Elastomeren 154, 156, 168, 186, 188, 190, der Abstand zwischen den Wicklungen 152, 154, 170, 178, 180, 182, der Drahtdurchmesser, die Wicklungshöhe und -breite unter anderem gehören.
Es ist zu beachten, daß, wenn eine Feder mit gekippten Wicklungen mit einem Elastomer gefüllt wird, insbesondere in einem äußeren Abschnitt der Wicklung, die auf diese angewandte Kraft gleichmäßiger übertragen wird und die Belastung, die auf die zusammenwirkenden Teile wirkt, ist beträchtlich kleiner. Bei Anwendungen, bei denen die Federanordnung mit gekippten Wicklungen 10 in Verbindung mit der Dichtungsvorrichtung verwendet wird, bietet diese ein beträchtlich besseres Dichtungsvermögen und resultiert in einem wesentlichen Anstieg an Dichtungswirksamkeit und Lebensdauer.
Das Vermögen der hohlen Feder mit gekippten Wicklungen, die mit einem Elastomer mit einem hohlen Zentrum gefüllt ist, um ein hohes Maß an Ablenkung zu erreichen und eine relativ konstante Last innerhalb einer hohen Ablenkung beizubehalten reduziert die gesamte Menge an Kraft, die notwendig ist, ein Dichten zu bewirken und dies bietet einen bedeutsamen Vorteil, insbesondere in dynamischen Situationen. Das Vermögen der hohlen mit Elastomer gefüllten Feder, sich zu strecken, erleichtert ihren Einbau in einer Konstruktion mit einer einzigen Nut, ähnlich zu der, die man bei O-Ring-Anwendungen zum Anbringen der Anordnung 10 in einem Kolben (nicht gezeigt) oder auch in einem Gehäuse (nicht gezeigt) antrifft.
Ein weiteres sehr wichtiges Merkmal der mit Elastomer gefüllten Feder 14 mit hohlem Querschnitt 20 ist ihre Verwendung als Dichtung selbst. Bis jetzt benutzten die Elastomere die Feder mit gekippten Wicklungen als eine Belastungseinrichtung, um einen engen Kontakt zwischen den Dichtungsflächen des Elastomers beizubehalten. Bei vielen Anwendungen gemäß dem Stand der Technik tendiert das Elastomer dazu, zu altern oder aufgrund von Altersstarrheit des Elastomers oder aufgrund von Temperaturschwankungen zu entspannen und die Feder wird dazu verwendet, das Elastomer in Kontakt mit den Dichtungsflächen zu zwingen. Bei der vorliegenden Erfindung können durch Kombinieren des Elastomers 18 in der Feder und Bereitstellen eines hohlen Querschnitts 20 beide Dinge in einem erreicht werden, mit einem höheren Zuverlässigkeitsgrad und Dichtungsfähigkeit und dies kann bei sich hin- und herbewegenden, rotierenden, oszillierenden und statischen Anwendungen erfolgen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal besteht darin, die Federanordnung 10 als eine Belastungseinrichtung zu verwenden, um eine gleichmäßigere Belastung auf einer Dichtungsfläche (nicht gezeigt) bereitzustellen, was eine wesentlich bessere Leistung zur Folge hat, da dadurch die Verwendung eines kleineren Draht es möglich ist und somit die Last gleichmäßig verteilt wird, was in einem effektiveren Dichtungsvermögen und längerer Lebensdauer der Dichtung resultiert.
Bei all diesen Anwendungen kann das Elastomer 18 eine jegliche Art von elastomerischem Material sein, so wie z.B. Silicon, Buna N, Nitril, Fluorosilicone, PTFE, Elastomere u.s.w. Es können auch gewisse Arten von Kunststoffen7 die die Eigenschaften von Elastomeren haben aufgrund ihres hohen Reibungskoeffizienten, ihrer Betriebstemperatur u.s.w. verwendet werden.
Ein bestimmtes Beispiel der Kraft-Ablenkungscharakteristiken für die Feder mit Spulen 12 wie in Fig. 17 gezeigt, ist in Fig. 18 als Kurve A gezeigt. Wenn ein Elastomer, wie z.B. Dow Corning Silastic 732 RTV zwischen den Spulen 12 und deren Innerem auf eine Dicke von 0,016 inch mit einem Querschnitt wie in Fig. 10 gezeigt, gefüllt wurde, ist die resultierende erhaltene Kraft-Ablenkungskurve als Kurve B in Fig. 18 gezeigt. Dasselbe Elastomer wurde zwischen den Spulen 12 und innerhalb der Spulen 12 bis zu einer Dicke von 0,026 inch mit einem in Fig. 12 gezeigten Querschnitt angeordnet. Die resultierende Kraft-Ablenkungskurve ist als Kurve C in Fig. 18 gezeigt.
Die Kurven A, B und C von Fig. 18 zeigen die Kraft-Ablenkungskurve der Federanordnungen 52, 160, die relativ konstant bleibt, jedoch größer ist als die in Kurve A gezeigte Feder 12 ohne Elastomer. Wenn die Menge an Elastomer steigt oder wenn ein Querschnitt durch Hinzufügen von Elastomer auf den Außendurchmesser oder Innendurchmesser der Spule variiert wird, nimmt die entwickelte Kraft zu.
In bezug nun auf Fig. l9a ist eine Federanordnung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die Feder 202, die auch in Figuren 19b und c gezeigt ist, eine Vielzahl von Spulen 204 aufweist, die vorbelastet sind bevor sie in ein Elastomer 206 eingebettet werden. Dadurch wird weiterhin das Anpassen der Kraft-Ablenkungskurve der Federanordnung 200 möglich. Die Kurve A in Fig. 20 zeigt die Kraft-Ablenkungskurve nur für die Feder 202, wohingegen Kurve B die Belastungs-Ablenkungskurve für die vorbelastete Feder und Elastomer zeigt. Es sollte bemerkt werden, daß während die Ablenkung der Feder begrenzt ist, eine höhere Belastung erzeugt wird und weiter bei einer 17,5 Prozent Ablenkung bei Vorbelastung, gezeigt als Punkt C in Figur 20.
Fig. 21a zeigt eine radiale Feder 210, die mit einem Elastomermaterial 212 mit einem hohlen Zentrum 214 gefüllt ist.
In diesem Fall ist die Feder in einer freien Position, wenn sie mit Material gefüllt wird. Dies sollte als Kontrast zur Figur 21b gesehen werden, bei der die Feder 210 gestreckt ist, mit größeren Zwischenräumen, wie durch den Pfeil 220 angezeigt, zwischen den Spulen oder Windungen 210, wenn mit dem Elastomermaterial 218 gefüllt, wobei das letztere einen hohlen Kern 214 wie in Fig. 21C gezeigt hat. Die von der Feder 210 entwickelte Kraft hängt von dem Ausmaß der Streckung mit den mechanischen Eigenschaften des Elastomers, dem Verbindungsgrad, Abstand zwischen den Spulen, Verhältnis von Spulenhöhe zu Spulenbreite u.s.w. ab. Eine Feder dieser Art kann dazu verwendet werden, eine Ausdehnungslast bereitzustellen oder um eine Kombination von Ausdehnungslast und Kompressionslast bereitzustellen. Auf jeden Fall kann das Strecken der Spulen dazu verwendet werden, die Kraft-Ablenkungskurve der Feder 210 weiter zu modifizieren.
Bei der Merstellung der Federanordnung 10 mag die Feder 14 länger gefertigt werden als notwendig, um einen Kreis innerhalb einer Nut 250 zu vervollständigen wie in Fig. 22 gezeigt, wobei die Nut 250 in einem Kolben oder Gehäuse, die nicht gezeigt sind, ist. In diesem Fall liegt aufgrund der überrnäßigen Federlänge das Elastomer 18 an und eliminiert dadurch jeglichen Spalt zwischen den Federenden.
In bezug zu Figuren 23a und b ist eine alternative Ausführungstorm der Federanordnung 300 gezeigt, die eine erste Vielzahl von Spulen 302 aufweist, die miteinander in beabstandetem Verhältnis verbunden sind, um zu bewirken, daß die Federanordnung 300 eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung normal zu einer Tangente zu einer Mittellinie 304 ausübt. Wie zuvor in Verbindung mit der Vielzahl der Spulen 12 beschrieben ist ein elastisches Material 306 um die und zwischen der Vielzahl der Spulen 302 angeordnet, ein hohler Querschnitt 308 liefert eine Einrichtung zum Modifizieren der von der Feder-302-Anordnung 300 in Reaktion auf eine Ablenkung der Federanordnung 300 entlang einer Belastungsrichtung ausgeübten Kraft, wie oben beschrieben.
In der Vielzahl von Spulen 302 ist eine zweite Vielzahl von Spulen 310 angeordnet, die miteinander in beabstandetem Verhältnis verbunden sind und in einem zusammenwirkenden Verhältnis in der ersten Vielzahl von Spulen angeordnet ist, um zu bewirken, daß die Federanordnung 300 eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung ungefähr normal zur Mittellinie 304 ausübt.
Ein elastisches Material 312 ist um die und zwischen der Vielzahl der Spulen 310 angeordnet und weist einen hohlen Querschnitt 314 auf. Fig. 23b zeigt eine Querschnittsansicht der Federanordnung 300 und auch, daß die elastischen Materialien 306, 312 voneinander getrennt mit einem Spalt 320 dazwischen sein können, um eine relative Bewegung zwischen ihnen zu ermöglichen, wenn die Federanordnung 300 belastet wird.
Ähnlich zur Federanordntng 300 weist eine in Figuren 24a und b gezeigte Federanordnung 330 eine erste Vielzahl von Spulen 332 mit einem um diese angeordneten elastischen Material 334 und eine zweite Vielzahl von Spulen 336 in dem elastischen Material 338 um diese herum auf. Die Anordnung der ersten und zweiten Vielzahl von Spulen 332, 336 und elastischem Material 334, 338 ist ähnlich zu der in Figur 23a und b gezeigten Spulenanordnung 300, außer daß die erste Vielzahl von Spulen 332 in einer entgegengesetzten Richtung zu der zweiten Vielzahl von Spulen 336 entlang einer Mittellinie 342 gekippt sind. Die Leistung der in Figuren 23a und b und 24a und b gezeigten Ausführungsformen sind ähnlich zu den oben beschriebenen in Verbindung mit der Federanordnung 10, was die Designbereichsmöglichkeiten für deren Kurven für erzwungene Ablenkung noch mehr erweitert.
In bezug auf Figuren 25-27 sind alternative Ausführungsformen 350, 352 der vorliegenden Erfindung gezeigt, die eine Vielzahl von Spulen 354, 356 in dem sie umhüllenden elastischen Masterial 358, 360 aufweisen. Das Merkmal der Ausführungsformen 350, 352 besteht in der Form des elastischen Materials 358, 360, welches abhängige Abschnitte 364, 366 bzw. 368 aufweist, die eine Einrichtung zum Positionieren der Vielzahl der Spulen 354, 356 bereitstellen, damit die Belastungsrichtung ungefähr im rechten Winkel zur Mittellinie 370 bzw. 372 ist.
Obwohl in obigen eine bestimmte Anordnung einer Federanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Darstellen einer Art, in der die Erfindung vorteilhaft verwendet werden kann, gezeigt wurde, ist zu bemerken, daß die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist. Dementsprechend sollten jegliche und alle Modifikationen, Variationen oder gleichwertige Anordnungen, die sich für den Fachmann ergeben, als im Rahmen der vorliegenden Erfindung wie in den anhängigen Ansprüchen definiert liegend erachtet werden.

Claims

1. Federanordnung (10) mit einer Vielzahl von Spulen (12), die miteinander voneinander beabstandet verbunden sind, um zu bewirken, daß die Federanordnung (10) eine Kraft in einer zu einer Tangente einer Mittellinie (16) der Vielzahl von Spulen (12) ungefähr senkrechten Belastungsrichtung in Reaktion auf eine Ablenkung der Federanordnung (10) entlang der Belastungsrichtung ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Material (18) zwischen den und um die Vielzahl von Spulen (12) herum angeordnet ist, wobei das elastische Material (18) einen hohlen Querschnitt aufweist, um die von der Federanordnung (10) ausgeübte Kraft in Reaktion auf eine Ablenkung der Federanordnung (10) entlang der Belastungsrichtung zu modifizieren.

2. Federanordnung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material eine Form hat, die zum Positionieren der Vielzahl der Spulen (12) gestaltet ist, damit die Belastungsrichtung ungefähr senkrecht zu der Tangente der Mittellinie (16) ist.

3. Federanordnung (10) nach Anspruch 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Form des elastischen Materials (18) abhängige Abschnitte beinhaltet, die wesentlich größer sind als ein Durchmesser der Vielzahl der Spulen (12).

4. Federanordnung (10) nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (18) eine im allgemeinen rohrförmige Form hat und die Vielzahl der Spulen (12) miteinander voneinander beabstandet verbunden und innerhalb des im allgemeinen rohrförmigen elastischen Materials (18) angeordnet ist, um zu bewirken, daß die Federanordnung eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung ungefähr senkrecht zu einer Tangenten zu einer Mittellinie (16) der Vielzahl der Spulen (12) in Reaktion auf eine Ablenkung der Federanordnung (10) entlang der Belastungsrichtung ausübt, wobei die Kraft im allgemeinen über einem Ablenkungsbereich der Federanordnung (10) entlang der Belastungsrichtung konstant ist.

5. Federanordnung (10) nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Spulen (12) innerhalb des elastischen Materials (18) gespannt voneinander beabstandet angeordnet ist, wobei das elastische Material (18) ausreichend Widerstand hat, um die Vielzahl der Spulen (12) in dem gespannten beabstandeten Verhältnis zu halten, wobei der Abstand zwischen gespannten beabstandeten Spulen größer ist als der Abstand zwischen Spulen, wenn sie nicht durch das elastische Material (18) in einem voneinander beabstandet gespannten Verhältnis gehalten sind.

6. Federanordnung (10) nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Spulen (12) innerhalb des elastischen Materials (18) in einem vorbelasteten Zustand angeordnet ist, in welchem die Vielzahl der Spulen (12) entlang der Belastungsrichtung abgelenkt ist.

7. Federanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 4, weiterhin gekennzeichnet durch die Tatsache, daß ein offener Durchgang durch das elastische Material (18) vorgesehen ist, durch welchen Flüssigkeit hindurch gelangen kann.

8. Federanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 4, weiterhin gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Spulen (12) einen ovalen Umfang aufweisen und das elastische Material (18) einen kreisförmigen hohlen Mittelabschnitt aufweist.

9. Federanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Spulen (12) einen ovalen Umfang haben und das elastische Material (18) eine Vielzahl von hohlen Bereichen innerhalb des elastischen Materials (18) und innerhalb der Vielzahl der Spulen (12) aufweist.

10. Federanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Spulen (12) einen ovalen Umfang haben und das elastische Material (18) einen iin allgemeinen geradlinigen hohlen Mittelabschnitt aufweist.

11. Federanordnung (300) mit einer ersten Vielzahl von Spulen (302), die voneinander beabstandet miteinander verbunden sind, um zu bewirken, daß die Federanordnung (300) eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung ungefähr senkrecht zu einer Tangenten zu einer Mittellinie (304) der Vielzahl von Spulen (302) in Reaktion auf eine Ablenkung der Federanordnung (300) entlang der Belastungsrichtung ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Vielzahl von Spulen (310) vorgesehen ist und voneinander beabstandet miteinander verbunden und innerhalb der ersten Vielzahl von Spulen (302) in damit zusammenwirkender Weise angeordnet ist, um zu bewirken, daß die Federanordnung (300) eine im allgemeinen konstante Kraft in einer zu einer Tangenten zu einer Mittellinie (304) der zweiten Vielzahl von Spulen (310) ungefähr senkrechten Belastungsrichtung in Reaktion auf eine Ablenkung der Federanordnung (300) entlang der Belastungsrichtung ausübt, und daß ein elastisches Material (306) um und zwischen der ersten und zweiten Vielzahl von Spulen (302, 310) angeordnet ist und einen hohlen Querschnitt aufweist, um die von der Federanordnung (300) in Reaktion auf die Ablenkung der Federanordnung (300) entlang der Belastungsrichtung ausgeübte Kraft zu modifizieren.

12. Federanordnung nach Anspruch 11, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (304) einen äußeren Abschnitt (306), der um die erste Vielzahl von Spulen (302) herum angeordnet ist und einen inneren Abschnitt (312), der um die zweite Vielzahl von Spulen (310) herum angeordnet ist, aufweist, wobei der äußere und innere Abschnitt (306, 312) separat sind und nicht miteinander verbunden sind.

13. Federanordnung (300) nach Anspruch 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen (302, 310) in derselben Richtung in bezug auf eine gemeinsame Mittellinie (304) gekippt angeordnet sind.

14. Federanordnung (330) nach Anspruch 12, wobei die ersten und zweiten Spulen (332, 336) in entgegengesetzte Richtungen in bezug auf eine gemeinsame Mittellinie (342) gekippt angeordnet sind.

15. Federanordnung (300, 330) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der ersten und zweiten Vielzahl von Spulen (302, 310) innerhalb des elastischen Materials (306) gespannt und voneinander beabstandet sind, wobei das elastische Material (306) einen ausreichenden Widerstand aufweist, um die gespannte und voneinander beabstandete Vielzahl von Spulen (302, 310) in diesem gespannten und voneinander beabstandeten Verhältnis zu halten, wobei der Abstand zwischen Spulen (302, 310) in dem gespannten voneinander beabstandeten Verhältnis größer ist als der Abstand zwischen Spulen, wenn diese nicht von dem elastischen Material (306) gespannt und voneinander beabstandet gehalten sind.

16. Federanordnung (300, 330) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der ersten und zweiten Vielzahl von Spulen (302, 310) innerhalb des elastischen Materials (306) in einem vorbelasteten Zustand angeordnet ist, in welchem die Vielzahl von Spulen (302, 310) entlang der Belastungsrichtung abgelenkt ist.

17. Verfahren zum Herstellen einer Federanordnung (10), bei der ein Draht gefertigt wird, um Spulen (12), die voneinander beabstandet miteinander verbunden sind, herzustellen, gekennzeichnet durch Anordnen eines elastischen Materials in und um die Spulen (12) herum, wohingegen das Innere der Spulen (12) entlang einer ihrer Mittellinien nicht gefüllt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin gekennzeichnet durch Ablenken der Spulen (12), während das elastische Material 18 in und um die Spulen herum angeordnet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin gekennzeichnet durch Auseinanderziehen der Spulen, während das elastische Material (16) in und um die Spulen (12) herum angeordnet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin gekennzeichnet durch Anordnen einer Stange einer flüchtigen Zusammensetzung innerhalb der Spulen, Anordnen eines elastischen Materials in und um die Spulen und um die Stange herum und Entfernen der Stange der flüchtigen Zusammensetzung, um ein hohles Inneres für die Spulen (12) mit elastischem Material (18) darum bereitszustellen.