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Feder, insbesondere Tragfeder Fahrzeugabfederungen sind in den verschiedensten
Formen bekannt. Sie haben alle den Nachteil, daß die Feder entweder ganz
ohne Dämpfung arbeitet, wie z. B. Schrauben- oder Spiralfedern, oder, wenn sie dämpfende
Eigenschaften besitzen, daß diese Dämpfung dann in unerwünschter Form vorhanden
ist. Zum Beispiel tritt bei der in großem Umfange als Fahrzeugtragfeder dienenden
Blattfeder, die aus mehreren Lagen zusammengesetzt ist, bei einer Federung zwischen
den einzelnen Lagen Reibung auf, durch die die Federung derart gedämpft wird, daß
sich Dämpfungsstöße ergeben. Zudem genügt diese Dämpfung nicht, um beispielsweise
Federungen an auf unebenen Strecken verkehrenden Fahrzeugen, also fast alten Straßenfahrzeugen,
wirksam abzudämpfen. Es ist daher üblich, zusätzliche Dämpfungsorgane, Stoßdämpfer
vorzusehen. Durch Anwendung von Stoßdämpfern werden Fahrzeugabfederungen mit reibungslosen
Federn, z. B. Spiralfedern, überhaupt erst gebrauchsfähig. Ringfedern haben gegenüber
den Blattfedern den Vorteil einer sehr wirtschaftlichen Arbeitsweise, hingegen als
Tragfedern den Nachteil, daß ihre Dämpfung sehr groß ist und vor allen Dingen der
Dämpfungsstoß noch weitaus größere Werte als bei der Blattfeder erreicht. Ringfedern
sind für sich allein als Tragfedern nicht zu verwenden.
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Die Erfindung betrifft eine Federung, bei der die vorerwähnten Nachteile
vermieden werden. Gemäß der Erfindung werden Federn an sich bekannter Bauart, welche
aus schraubenartig oder spiralförmig gewickelten Federbändern bestehen, die, auf
der ganzen Federlänge an der Innenwand eines geschlossenen Gehäuses anliegend, unter
dein Fahrzeuggewicht und den Stößen tangential gestaucht werden, als Tragfedern
für Fahrzeuge verwendet. Das Federungsmaß eine solchen Federbandes ergibt sich aus
dci- eintretenden tangentialen Verkürzung, wobei sich, da das Federband an der Innenwand
seines Gehäuses von Beginn der Belastung an anliegt, reine Druckspannungen ergeben.
Dies ist eine äußerst günstige Beanspruchungsart, die bei den bisher für Fahrzeugabfederungen
bekannten Federarten nicht erreicht wurde, weil in allen Fällen zusammengesetzte
Beanspruchungen, wie Biegung oder Torsion,.auftraten.
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Es ist'bereits bekannt, bei elastischen Wellenkupplungen eine Feder
einzuschalten, die bezüglich ihres Aufbaues Lind ihrer Arbeitsweise
mit
der Feder nach der Erfindung übereinstimmt. Bei Wellenkupplungen werden jedoch nur
kleine Federungen benutzt, für die auch die Art des hiagrammverlaufs nebensächlicher
Natur ist. Für die Fahrzeugabfederung ist eine Dämpfung erwünscht, jedoch darf die
Dämpfungskraft bei den Federschwingungen nicht plötzlich in voller Höhe auftreten.
Diesem Umstand trägt man bei Fahrzeugen dadurch Rechnung, daß man der gedämpften
Feder, z. B. der- Blattfeder, ungedämpfte Federn in Hintereinanderschaltung zuordnet.
Die Erfindung bringt demgegenüber eine Feder in Vorschlag, die ihrerseits ohne Hinzuschalten
einer ungedämpften Feder in jedem Punkt des Diagramms infolge stetigen Anstiegs
einen Kraftsprung vermeidet. Die Dämpfung nimmt von jedem beliebigen Ausgangspunkt
beim Spannen der Feder ständig zu. Für das Maß der Dämpfung ist die Länge der Feder
bestimmend.
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Um das Gewicht einer derartigen Feder möglichst gering zu halten,
ist es zweckmäßig, auch das Gehäuse des Federbandes für die Federung mit auszunutzen,
es also arbeiten zu lassen. Hierzu ist es notwendig, das Federgehäuse aus geeignetem
Werkstoff, also aus Federstahl, herzustellen. Ferner muß beachtet werden, daß in
den im Federgrcliiitise liegenden Federbändern bei der Beanspruchung Druckspannungen
herrschen; die Dickenabmessungen des Federgehäuses zuni Federband müssecl sich daher
in eiltsprechenden Verhältnissen bewegen. Durch die ringartige Unterteilung des
Federgehältses gelingt es, außer einer besseren Ausnutzung des Stahls die Größe
der Dämpfung zu beeinflussen. Diese sehr erwünschte Möglichkeit ist auch zu erreichen
durch entsprechende Gestaltung der inneren Uinfangsflä ehe des Gehäuses, auf der
das Federband anliegt und heim Federn tangential gleitet. Ebenfalls bei Wellenkupplungen,
die aus mit den beiclcil Wellenenden verbundener Schraubenfeder und diese unigebenden
Gehäuse bestclicn, ist es bekannt, das Gehäuse ringartig zti unterteilen, jedoch
mir für den Zweck, eine größere Einstellmöglichkeit der beiden durch die Kupplung;
miteinander verbundenen Wellenenden in ihrer parallelen Lage oder in ihrer axialen
Winkellage zueinander zuzulassen. An ein federndes Mitarbeiten dieses Gehäuses ist
nicht gedacht, da der Federweg der Wellenkupplung erschöpft ist, sobald die Feder
an dem Gehäuse anliegt.
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Innerhalb des Federbandes nimmt infolge der Umfangsreibung die Beanspruchung
von den Kraftangriffsstellen ausgehend ab, so daß es zweckmäßig ist, Federband und
Feder-. gellä use entsprechend der tatsächlich vorllandenen_ßeallspruchung im gleichen
Verhältnis abnehmen zu lassen, mithin überall möglichst gleiche Beanspruchungen
im 1#ederban<l und im Gehäuse zu verwirklichen.
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Bei spiralförmig gewickelten Federbändern können die einzelnen Windungen
des Federbandes direkt aufeinanderliegen, oder das Gehäuse selbst besitzt spiralförmig
verlaufende Wandungen, an denen das Federband anliegt. Bei dieser Bauart wird eine
geringere Reibung erzielt, als wenn die Federbänder direkt aufeinanderliegen und
reiben. Bei Wellenkupplungen ist es ebenfalls bereits bekannt, das Kupplungsgehäuse
mit mehreren konzentrisch ineinanderliegenden Wänden zu versehen, auf denen mehrere
Federbänder aufliegen.
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An Hand der Zeichnung werden die Erfindung und ihre Vorteile sowie
einige Ausführungsbeispiele erläutert.
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Die Abb. r zeigt das Diagramm einer inehrlagigen Blattfeder, die Abb.
a das Diagranen einer Feder nach der Erfindung, Abb.3 eine schraubenförmige Ausführungsforrn
einer Feder nach der Erfindung mit einteiligem Gehäuse, und zwar im axialen Längsschnitt.
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Abb. 4. ist die Stirnansicht zu Abb. 3 und die Abb.5 ein weiteres
Ausführungsbeispiel mit in einzelne Ringe unterteiltem Federgehäuse ein axialen
Längsschnitt, zu dem die Abb. G die Stirnansicht wiedergibt. Die Abb. 7 zeigt eine
Ausfullrungsforin mit spiralförmig angeordneten Federbändern im Querschnitt, die
Abb.8 den axialen Längsschnitt zu Abb. 7, die Abb. g eine «eitere Ausführung; mit
spiralförmig angeordneten Federbändern ini Querschnitt, die Abb. 1o eine Ausführung
mit schraubenförrnig angeordneten hc<lerbünilern ini Axialschnitt und die Abb.
z i die Anwendung der Erfindung beim Laufgestell eines Straßenfahrzeugs. Die für
die Fahrzeugabfederung gebräuchliche, aus mehreren Lagen bestehende Blattfeder leistet
elastische Formiinderungsarbeit, die in Abb. r durch die gestrichelte Linie 0-A
dargestellt ist. Die zwischen den einzelnen Lagen herrschende l@eibung wird durch
die Flächen a, und a2, oberhalb und unterhalb der elastischen Forinänderungsarbeit
0-A liegend, dargestellt. Den wirklichen Verlauf der Federung zeigen die beiden
voll ausgezogenen Begrenzungslinien 0-A" und 0-A". Würde z. B. die Feder eine statische
Last I zu tragen haben, so ergibt sich aus dein Diagramm, daß bei jedem Stoßinlpuls
zuerst die Federkraft, ohne daß
die Feder einen Weg zurücklegt,
von I auf II ansteigt. Dieser Kraftanstieg kommt einem Stoß gleich und ist bekannt
als Dämpfungsstoß; durch den sich die gefürchteten Dämpfungsschwingüngen ergeben.
Dieses ist ein großer Nachteil der -bekannten Blattfedern. Hinzu kommt, daß die
Dämpfung, dargestellt durch die gestrichelten Flächen a1 und a2, füi die Federung
nicht ausreicht und daß für eine gute Federung Dämpfungsvorrichtungen notwendig
sind.
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Die Feder gemäß der Erfindung ergibt ein Diagramm, wie 1n Abb.2 wiedergegeben.
Die Arbeitsfläche, oben begrenzt durch den gestrichelten Linienzug 0-IV, stellt
die maximale Arbeit einer Feder nach der Erfindung dar. Für die Beurteilung der
Wirkungsweise in der Praxis soll ein Ausschnitt des Diagramms, z. B. der Diagrammausschnitt
a-b, betrachtet werden. Der Punkt I entspricht der statischen Federbelastung, bei
der die Feder um den Weg O-a gespannt ist. Erfolgt nun ein Stoß, so spannt sich
die Feder entsprechend dem Verlauf der Linie c bis zum Punlit 11I, von wo, aus die
Entspannung nach der Linie d, die wieder im Ausgangspunkt I endet, erfolgt. Die
umschriebene Fläche i@ gibt die Größe der Dämpfung an. Erfolgt eine Änderung der
statischen Last, beispielsweise derart, daß eine ruhende Last II herrscht, wobei
die Feder von 0-e
ruhend gespannt ist, so wird unter einem Stoß eine weitere
Spannung der Feder entsprechend der Linie g bei einer Federung von beispielsweise
e bis f erfolgen. Das Entspannen erfolgt auf der Linie lt, wobei auchhier
die Entspannungslinie wieder im Ausg,aangspu-1kt, also in diesem Falle im Punkt
II, endet. Die umschriebene Fläche k gibt für diesen Fall die Größe der Dämpfung
an.
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Da nun sowohl die Linie c als auch jede andere Anstieglinie, z. B.
g im Punkt IV, dem Endpunkt des Diagramms der betreffenden Feder enden muß, so ergibt
sich, daß die Federkonstante für jede statische Last verschieden ist, und zwar je
größer die statische Last, desto größer ist auch die Federkonstante. Dies ist von
großem Vorteil, da'eine einzige Feder genügt, um einem Fahrzeug mit wechselnder
Belastung, z. B. bei kleinerer Last eine weiche Federung und bei größerer Last eine
härtere Federung zu ermöglichen.
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Durch den verschiedenen Verlauf der Spannungs- bzw. Entspannungskräfte
ergibt sich für den Federweg a-b die schon vorerwähnte Dämpfung i und für
den Federweg e-f die Dämpfung h oder für einen beliebigen anderen Diagrammausschnitt
eine entsprechende Dämpfung, wobei im Gegensatz zu den bekannten Federungen jeder
Dämpfungsstoß vermieden wird, weil die Entspannungslinien d, h immer im Ausgangspunkt
der Spannungslinie enden.
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In Abb. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Feder nach der Erfindung
dargestellt. Die Feder besteht in diesem Falle aus zwei aufgewickelten Federbändern
m, ia, die eine doppelgängige Schraube bilden und in dem zylindermantelartigen
Gehäuse q untergebracht sind. Innerhalb des Gehäuses q sind fünf Windungen jedes
Bandes m und iz enthalten. Wie aus der Abb. q. hervorgeht, erfolgt die Belastung
P durch tangentialen Druck auf die Enden der Federbänder m und n. An den
Gegenseiten stützen sich die Federbänder m und n ab. Durch die Last P werden die
Federbänder tangential zusammengedrückt, wobei das Maß der Zusammendrückung der
Federweg ist. Eine Vergrößerung des Durchmessers der Federbänder m und n ist infolge
des starren umschließenden Gehäuses q nicht möglich, so daß reine Druckspannungen
in jedem Federbandquerschnitt m und n herrschen. Die Größe der Stauchung
richtet sich nach der Anzahl der Federwindungen bzw. der Federbandlänge, wobei die
Reibung zwischen dem Federband und dem Gehäusemantel berücksichtigt werden muß.
Es ist nicht notwendig, zwei oder mehrere Federbänder anzuordnen, aber zu empfehlen,
dadurch z. B. zwei Angriffsstellen von P ein gleichmäßiges Kräftepaar bzw. Drehmoment
erreicht wird, so daß einseitige Drücke in den Lagern vermieden werden.
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Um auch das Gehäuse q selbst zur Arbeitsleistung mit heranzuziehen;
wird man auch dieses aus Federstahl fertigen und entsprechend bemessen, so daß es
durch die radialen Drücke des Federbandes tangential und radial gedehnt wird. Es
liegt im Ermessen des Konstrukteurs, die Wand- und Federbänddicke so zu bemessen,
daß die Beanspruchungen im Gehäuse q, die reine Zugspannungen sind, sich in Grenzen
halten, die doch eine hohe Lebensdauer verbürgen. _ In den Abb. 5 und 6 ist das
Gehäuse in vier Teile ql, q2, q3 und q4 ringartig - aufgelöst. Hierdurch werden
die Beanspruchungen 'in den Federbändern m und n in allen ,Querschnitten annähernd
gleich gehalten, wodurch sich eine -,virtschaftlichere Ausnutzung des Werkstoffes
ergibt. Die einzelnen Gehäuseringe q1 bis q4 überdecken nur jeweils eine Windung.
Durch die Unterteilung des Gehäusemantels q in Einzelringe q1 bis q4 wird ferner
die Größe der Dämpfung geändert, so daß man durch beliebige Unterteilung bestimmten
Einfluß auf den Verlauf der Dämpfung und der Federung hat.
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Da bei einem Federmantel m und iz mit einteiligem Gehäuse q,
wie in den Abb. 3 und 4 dargestellt, die Beanspruchungen im
Federhandquerschnitt
von der Kraftangriffsstelle ausgehend zur Gehäusemitte hin abnehmen, und zwar in
Abhängigkeit von dem Reibungswert, ist es wirtschaftlich, um eine möglichst gleichmäßige
Beanspruchung je Ouerschnittseinheit des Federbandes. zu erzielen, den Querschnitt
nach der Mitte des Federbandes zu entsprechend der Beanspruchungsabnahme abnehmen
zu lassen. Außer dem Federband kann auch das Gehäuse q in, seiner Wanddicke verschieden
bemessen sein. Um Überbeanspruchungen an den Federenden zu vermeiden, verstärkt
man das Federband an diesen. Stellen, wie es beispielsweise in Abb. 7 an Hand einer
spiralförmig gewundenen Feder, bestehend aus zwei Federbändern r und s, dargestellt
ist. Die Federbänder r und s liegen mit ihren Umfangsflächen aufeinander. Sie übertragen
die Kräfte P von der Welle t1 über die Nabe zs, die mit zwei Ansätzen v1 und v2
ausgerüstet ist, auf die beiden Federbänder r und s, die tangential zusammengestaucht
werden. Die spiralförmig gewundenen Federbänder r und s sind ohne Zwischenraum ineinandergewickelt,
so daß sich die äußeren Mantelflächen einer Windung gegen die inneren der folgenden
und dann die beiden halben Endwindungen sich gegen das äußere Gehäuse z, das, wie
aus Abb. 8 hervorgeht, auf dem zweiten Wellenstumpf t2 befestigt ist, über Vorsprünge
w1 und zerg abstützen.
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Bei der Ausführung -nach Abb. g, in der ebenfalls eine doppelt ineinandergewundene
Spiralfeder r, s dargestellt ist, weist das äußere Gehäuse z spiralförmig 'verlaufende
Rippen z1 und z2 auf, gegen deren innere Umfangsflächen sich die Federbänder r und
s mit ihren äußeren Umfangsflächen abstützen. Wie bei dem schraubenförmig gewickelten
Band, dargestellt in den Abb. 3 bis 6, kann auch bei spiralförmig gewundenen Federbändern
r, s der Querschnitt von den Kraftangriffsstellen aus derart abnehmen, daß in jeder
Ouerschnittseinheit des ganzen Federbandes möglichst gleiche Spannungen herrschen.
- " Bei schraubenförmig gewundenen Federbändern ist zu empfehlen, die tangentialen
Umfangskräfte nicht in voller Größe durch Anschläge, die gegen die Federenden drücken,
zu übertragen, sondern, wie an Hand der Abb. 1o zu verstehen ist, einen Teil durch
Reibung zwischen den Federbändern in und ia und einer die Enden überdeckenden Hülse
q' aufzunehmen. Die Federbänder in und n
greifen mit ein und zwei Windungen
in die beiden Endhülsen q' ein, die gleichzeitig Übertragungsorgane sind. Beim Spannen
legen sich die Bänder in und it. fest gegen die Innenwandungen der Hülsen q', so
daß die Reibung zur Übertragung der Umfangskräfte dient. Gleichzeitig werden diese
Windungen," die innerhalb der Endhülsen i# liegen, zur Federung mit herangezogen.
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Die Federung, gemäß der Erfindung eignet sich vor allem zur Tragwerksfederung
für Fahrzeuge. Ein Anwendungsbeispiel als S-chwingarmabfederung ist in Abb: i i
gezeigt. Auf dem Hebelarm i sind in dessen freiem Ende die Laufräder z gelagert.
Das andere Ende des Schwingarms i ist als Gehäuse 3 ausgebildet, in welchem zwei
schraubenförmig aufgewundene Federbänder 4 -und 5 lagern. An das Gehäuse 3 schließen
sich Zwischenringe 6, 7, 8 und 9 an, die gemeinsam mit dem Gehäuse 3 die Federbänder
4 und 5 umschließen. An den letzten Ring 9 schließt sich das innere Gehäuseteil
io an, welches im Untergestell i i des Fahrzeugs befestigt ist und gleichzeitig
als Lager dient, während das Gehäuse 3 sich - mittels eines Zapfens 12 im Untergestellager
13 frei drehen kann, entsprechend dem Verdrehungswinkel beim Spannen der 'Federbänder
und 5. Zur seitlichen Verstärkung erhält der Schwingenarm i eine Verlängerung 14,
die mittels Zapfen 15 an dem inneren festen Gehäuseteil io schwingbar gelagert ist.
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Besteht die Schwinge i mit Gehäuse 3 aus Stahlguß oder sonstigem nicht
genügend härtbarem Stahl, so kann in das Federgehäuse 3 eine dünne, geschlitzte
oder ungeschlitzte Hülse 16 eingepreßt werden, die sich dann bei einem radialen
Druck vom Federband in und n her gegen die innere Wandung des Gehäuses 3 anlegt
und durch den Reibungsschluß eine Verbindung zwischen der Büchse 16 und dem Gehäuse
3 herstellt. Dies ist fast immer zu empfehlen, da für die Angriffsflächen des Federbandes
in und n hohe Festigkeit erforderlich ist, die wiederum hochwertigen Stahl erfordert,
aus dem entweder die ganze Schwinge i oder anderenfalls nur die Büchsen 16 bestehen
müssen.
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Die Feder ist. jedoch auch für ändere Zwecke der Technik verwendbar,
und zwar überall da, wo zur Übertragung von Kräften und Aufnahme von Stößen Federn
mit Dämpfung erforderlich sind, die im besonderen so beschaffen sein müssen, daß
sie trotz ihrer Dämpfung beim Entspannen in die Ausgangsstellung zurückgehen, ohne
daß für den nächsten Stoßimpuls ein Kraftsprung vorhanden ist, wie z. B. bei Zug-
und Stoßvorrichtungen von Fahrzeugen, für Fahrgestellabfederung von Flugzeugen usw.;
sie kann auch in Verbindung mit anderen, ungedämpften Federn lediglich als Dämpfungsorgan
benutzt «-erden.