DE69520740T2 - Flexible Federunterstützung für vibrierende Geräte - Google Patents

Flexible Federunterstützung für vibrierende Geräte

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Schwingvorrichtungen und ist insbesondere anzuwenden in Verbindung mit Friktions- oder Vibrationsschweissgeräten zum Verschweissen von Werkstücken, insbesondere thermoplastischen Teilen, miteinander längs eines gemeinsamen Trennungsflächenbereiches durch Erzeugung von Friktionswärme an diesem Trennungsflächenbereich. Mehr inbesondere betrifft die Erfindung einen verbesserten Biegefedernträger zur Anwendung in einer Schwingvorrichtung, wie z. B. einem Schweissgerät, wobei einem Bauteil, z. B. einer mit einem der zu verschweissenden Teile verbundenen Platte, eine Translationsbewegung in einer Ebene auferlegt wird zur Erzeugung von Reibungswärme an dem gemeinsamen Trennungsflächenbereich zwischen den Werkstückteilen. Die Vibration kann eine hin- und hergehende Translationsbewegung, eine elliptische Bewegung, eine Orbitalbewegung oder eine ähnliche Translationsbewegung sein, wobei alle diese Bewegungen in einer Ebene erfolgen, die als Bewegungsebene bezeichnet werden kann.
  • Reibungs- oder Vibrationsschweissgeräte des oben erwähnten Typs sind im Stand der Technik allgemein bekannt, siehe z. B. die US-Patentschrift 3,920,504 erteilt an A. Shoh et al. am 18. November 1975, welche ein elektromagnetisch betätigtes Schweissgerät betrifft mit hin- und hergehender Translationsbewegung, oder die US-Patentschrift 5,160,393, erteilt an E. A. Snyder am 03. November 1992, die ein ähnliches Gerät mit Orbitalbewegung beschreibt, und die Merkmale des Teiles vor dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruches 1 aufweist.
  • In einem Gerät dieses Typs wird ein Träger benötigt, der den Bauteil dem die Bewegung erteilt wird mit einem stationären Rahmen verbindet. Ein solcher Träger hat im Allgemeinen eine Vielzahl von Biegefedern, die den beweglichen Bauteil aufhängen, dabei aber unter Zurückhaltung des beweglichen Bauteiles in der Bewegungsebene eine Bewegung desselben zulassen. Die Gestaltung und Befestigung dieser Federn ist mit besonderen Problemen behaftet, da entweder die Federn nicht für eine lange Lebensdauer gestaltet sind oder durch die Befestigung der Federn eine Reibkorrosion und Metallermüdung auftreten kann, wodurch eine sehr kurze Betriebslebensdauer des Gerätes mit der zugehörigen Unterbrechung der Produktion bedingt ist.
  • Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist es demnach einen neuen und verbesserten Biegefedernträger zu schaffen.
  • Eine andere wichtige Aufgabe der Erfindung ist es einen neuen und verbesserten Biegefedernträger zu schaffen, der besonders tauglich ist in Verbindung mit Friktions- oder Vibrationsschweissgeräten.
  • Eine andere wichtige Aufgabe der Erfindung ist es einen Biegefedernträger für eine Schwingvorrichtung zu schaffen, der die Probleme löst, die mit der Befestigung der Enden der Biegefedern mit anderen tragenden Bauteilen verbunden sind.
  • Eine andere und weitere Aufgabe der Erfindung ist es einen Biegefedernträger zu schaffen, wobei die Reibkorrosion der einzelnen Federn minimiert oder sogar weitgehend ausgeschaltet ist.
  • Um diese Aufgaben zu lösen liefert die vorliegende Erfindung, wie in dem unabhängigen Anspruch 1 beschrieben, einen Biegefedernträger wobei die Federbefestigung an jedem Ende der Feder gestaltet ist, so dass eine hohe und örtliche Spannungskonzentration vermieden wird, um somit das Problem der Reibkorrosion weitgehend auszuschalten. Zu diesem Zweck hat jedes Ende der Feder einen verjüngten Flansch, dessen flache, untere Seite auf einer zugeordneten Bauteilfläche sitzt zur Verteilung der Biegespannung über eine grössere Fläche. Des Weiteren ist jede Feder gestaltet zum Formen eines eingespannten, eingespannten verjüngten Trägers mit konstanter Spannung, welcher Ausdruck im Späteren erläutert wird, um somit einen Federbruch auszuschalten, da die Spannung ausgewählt wird damit sie geringer ist als die maximal zulässige Spannung, die für den ausgewählten Werkstoff anzuwenden ist. Diese Merkmale verbessern die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit der Federn und demgemäss des Gerätes in dem der Biegefedernträger eingesetzt ist.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung in Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen ausführlicher erklärt.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer typischen Schwingvorrichtung zum Friktionsschweissen;
  • Fig. 2 ist eine Ansicht, teilweise im Schnitt, der Befestigung der Biegefedern beim Stand der Technik,
  • Fig. 3 ist eine Ansicht, teilweise im Schnitt, der verbesserten Gestaltung und Befestigung der Biegefedern;
  • Fig. 4 ist eine vergrösserte Ansicht des Federendes und seiner Befestigung;
  • Fig. 5 ist eine typische Ausführungsform des Biegefedernträgers in Draufsicht, und
  • Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform des Biegefedernträgers für eine Schwingvorrichtung, in Draufsicht.
    • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bezugnehmend nun auf die Figuren und Fig. 1 insbesondere, das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen ersten Metallteil, der an einer verhältnismässig massiven Rahmenstruktur 12 befestigt ist. Gegenüberliegend und in Abstand zu dem ersten Metallteil befindet sich ein zweiter Metallteil 14, der an seiner unteren Seite mit einer Tragplatte 16 zum Festhalten eines Teiles 18 eines Werkstückes versehen ist, zum Festschweissen dieses Teiles 18 an einem anderen Teil 20 des Werkstückes längs einer gemeinsamen Trennungsfläche 22. Der Teil 20 ist an einer Tragplatte 24 festgehalten, die an einem vertikal beweglichen Tisch 26 befestigt ist, wie durch den Pfeil 28 angedeutet, um einen wählbaren Anpressdruck zwischen den Teilen 18 und 20 einzustellen zum Verschweissen der Teile miteinander und auch zum Öffnen des Gerätes für die anschliessende Entnahme des geschweissten Werkstückes.
  • Der zweite Teil 14 ist am ersten Teil 10 aufgehängt über eine Reihe von beabstandeten Metallstangen 32 welche Biegefedern bilden, damit dem Teil 14 eine Translationsbewegung auferlegt werden kann in einer Ebene, welche die Bewegungsebene ist, und die parallel ist zu der Ebene, in der sich die Trennungsfläche 22 befindet. Wenn der Teil 14 stillsteht sind die Federachsen im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsebene. Abhängig von der Antriebseinrichtung, welche auf den Teil 14 einwirkt, wie z. B. ein oder mehrere Polstücke 24 und die entsprechende Anordnung elektromagnetischer Spulen 36, kann der bewegliche Teil 14 eine gradlinige Hin- und Herbewegung, eine Orbitalbewegung, eine elliptische Bewegung, oder eine ähnliche Bewegung in der Bewegungsebene ausführen. Diese Bewegung erzeugt Reibungswärme an der Trennungsfläche 22 damit bei dem Beispiel von thermoplastischen Teilen, das Kunststoffmaterial weich wird und fliesst.
  • Die Befestigung der Enden der Stangen 32 an den zugehörigen Teilen 10 und 14 bereitet ungewöhnliche Schwierigkeiten. Bei einer typischen Ausführung gemäss dem Stand der Technik, siehe die vorher erwähnte Snyder Patentschrift, ist jedes Ende einer Feder mit den zugehörigen Teilen 10 und 14 durch einen Presssitz verbunden. Es ist verständlich dass die Teile 10 und 14, infolge der Bewegung des Teiles 14, entgegengesetzte Bewegungen in parallelen Ebenen ausführen. Der Bewegungsausschlag der Teile ist in umgekehrtem Verhältnis zu ihren wirksamen Massen und, bei einem typischen Beispiel, sind die Massen so ausgewählt damit der Teil 10 eine Bewegung ausführt in der Grössenordnung von zehn oder fünfzehn Prozent der Bewegung des angetriebenen Teiles 14. Diese geringere Bewegung kann einfach gegenüber dem stationären Rahmen durch Stossfänger, nicht dargestellt, isoliert werden, die sich in der Rahmenstruktur befinden. Die Bewegung erfolgt üblicherweise mit einer Frequenz in dem Bereich zwischen 100 und 240 Hertz. Bei Anwendung eines Presssitzes müssen beim Zusammenbau die Enden der Federn gleichzeitig in einen Teil und dann in den anderen Teil getrieben werden, wozu ein sehr hoher Druck anzulegen ist. Des Weiteren, mit Bezug auf Fig. 2, bewirkt die wiederholte, hochfrequente Biegung der Federn 32, wie durch die gestrichtelten Linien einigermassen übertrieben dargestellt ist, eine örtliche Reibkorrosion der Federn in dem durch das Bezugszeichen 38 gekennzeichneten Bereich. Diese Reibkorrosion, die an der höchstbelasteten Stelle auftritt, ist verantwortlich für die ziemlich kurze Betriebslebensdauer des Gerätes mit der zugehörigen Unterbrechung des Produktionsbetriebs.
  • Eine verbesserte Biegefedergestaltung und Befestigung derselben ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Mit Bezug auf diese Figuren, das Bezugszeichen 40 bezeichnet eine der langgestreckten Biegefedern, welche die Teile 10 und 14 miteinander verbinden. Die Feder 40 ist an beiden Enden mit einem zugeordneten verjüngten, zylindrischen Flansch 42 und 44 versehen und die untere Seite eines jeden Flansches sitzt auf der flachen Fläche eines zugeordneten Teiles 10, 14. Ein zum Teil mit Gewinde versehener Ansatz 46, 48 erstreckt sich von der unteren Seite eines jeden Flansches und ragt in eine zugeordnete Öffnung 50, 52 des zugehörigen Teiles hinein. Eine Gewindemutter 54, 56 ist auf den Gewindeteil des zugehörigen Ansatzes geschraubt und erzeugt, beim Festschrauben gegen eine zugehörige Schulter 58 der Öffnung, siehe Fig. 4, eine Anpresskraft wodurch die flache Unterseite eines jeden Flansches in erzwungener Berührung mit dem zugeordneten Teil ist. In der Praxis wird ein Drehmomentschlüssel benützt zum Erzeugen eines vorbestimmten Anpressdruckes um, praktisch genommen, eine Gleitbewegung zwischen den Flanschen und den Bauteilen 10 und 14 infolge der Bewegung des Teiles 14 auszuschalten. Wie erkennbar werden beim Festschrauben der Muttern die Ansätze 46 und 48 auf Zug belastet. Die Öffnungen 50 und 52 sind miteinander ausgerichtet damit jede Feder 40, falls keine Bewegung auf den Teil 14 ausgeübt wird, eine Achse aufweist, die senkrecht steht zu der Bewegungsebene des Teiles 14.
  • Ein wesentlicher Vorteil der verbesserten Gestaltung der Federn nach den Fig. 3 und 4 liegt in der Tatsache, dass der örtliche, hochbelastete Bereich 38, siehe Fig. 2, am Eintrittsende der Feder in die Öffnung beseitigt wurde und die Belastung infolge der Bewegung des beweglichen Teiles 14 radial wegbewegt wurde von der Öffnung zu dem grösseren Trennungsflächenbereich zwischen dem Flansch und dem zugeordneten Bauteil. Infolge des grösseren Berührungsflächenbereiches wird die Spannung verteilt und hat demnach einen kleineren Wert pro Flächeneinheit. Infolgedeesen ist das Vorkommen einer Reibkorrosion im Wesentlichen ausgeschaltet und, wenn eine Reibkorrosion trotzdem auftreten sollte, wird sie sich in dem niedrig belasteten Bereich unterhalb des Flansches befinden. Es wurde erkannt, dass gute Ergebnisse erzielt werden wenn die untere Seite des Flansches eine geschliffene Fläche hat und einen Durchmesser aufweist, der mindestens das Dreifache des Durchmessers des Ansatzes beträgt. Im Gegensatz zum Stand der Technik, sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Biegefedern einzeln auswechselbar.
  • Falls erwünscht kann ein Sicherungsring unter jeder Schraubmutter vorgesehen sein, damit die Aufrechterhaltung der Anpresskraft gewährleistet ist.
  • Eine andere wichtige Verbesserung der vorliegenden Erfindung betrifft die Form und die Gestaltung der Biegefedern 40. Jede Feder ist kreisförmig im Querschnitt und bildet einen doppelten, verjüngten Träger, d. h. verjüngt von dem Ende oder der Basis zu der Mitte, siehe Bezugszeichen 60, 62 und der Träger ist gestaltet als Feder mit im Wesentlichen konstanter Spannung. Zum Zweck dieser Beschreibung und der nachfolgenden Ansprüche ist diese Trägergestaltung bezeichnet als "eingespannter, eingespannter verjüngter Träger mit im Wesentlichen konstanter Spannung". Die Bemessung des Trägers ist in sehr geeigneter Weise abgeleitet durch endliche Elementanalyse, wie dem Fachmann bekannt ist. Bei der Gestaltung der Feder wird die zu erwartende Betriebsspannung niedriger gehalten als die maximal zulässige Bemessungsspannung für den ausgewählten Werkstoff.
  • Wie die Fig. 5 und 6 zeigen kann der Biegefedernträger für eine Schwingvorrichtung verschiedene Gestaltungen aufweisen. In Fig. 5 ist der obere, im Wesentlichen feststehende Teil eine Ringplatte 64 und die Öffnungen 50 und Federn sind in einem Kreis 66 angeordnet. In Fig. 6 hat der Biegefedernträger eine rechteckige oder quadratische Form und somit hat der Teil eine rechteckige oder quadratische Platte wobei die Öffnungen 50 und Federn längs mehreren Seiten angeordnet sind. Es ist verständlich, dass andere Formgebungen auch denkbar sind:
  • Es liegt eindeutig auf der Hand, dass die verbesserte Biegefedergestaltung das Problem der örtlichen Reibkorrosion, welche beim Stand der Technik im Bereich auftrat, wo die Federn an einem zugehörigen Plattenteil befestigt sind, im Wesentlichen löst. Ausserdem ist die Gestaltung einer jeden Feder in Form eines eingespannten, eingespannten verjüngten Trägers mit im Wesentlichen konstanter Belastung als wesentlicher Vorteil zu bewerten, da dadurch die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer stark verbessert werden.
  • Während ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben und dargestellt worden ist, und gewisse alternative Gestaltungen erwähnt wurden, ist es dem Fachmann geläufig, dass verschiedene weitere Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne dadurch die Lehre der Erfindung zu verlassen, welche nur durch den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims (6)

1. Biegefedernträger für eine Schwingvorrichtung mit:
einem ersten Bauteil (10), der mit einem feststehenden Rahmen (12) zu verbinden ist;
einem zweiten Bauteil (14), der gegenüberliegend zu dem ersten Bauteil (10) angeordnet, von diesem beabstandet und ausgelegt ist zum Ausführen einer hin- und hergehenden Bewegung in einer Ebene ansprechend auf eine an dem zweiten Bauteil (14) angreifende Antriebseinrichtung (34, 36);
einer Vielzahl von länglichen, voneinander beabstandeten Biegefedern (40) mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt, die den ersten Bauteil (10) mit dem zweiten Bauteil (14) verbinden;
dadurch gekennzeichnet, dass jede der Biegefedern (40) an jedem Ende einen Flansch (42, 44) aufweist, wobei die Unterseite eines jeden Flansches (42, 44) auf der Fläche eines zugeordneten Hauteiles der beiden Bauteile (10, 14) sitzt; und
Befestigungseinrichtungen (46, 48, 50, 52, 54, 56) angeordnet sind, um zu bewirken, dass die Unterseite eines jeden Flansches (42, 44) in erzwungener Anlage mit der Bauteilfläche ist, und
wobei die erzwungene Anlage eine Grösse aufweist, um eine Relativbewegung im Wesentlichen zu verhindern zwischen einem betreffenden Flansch (42, 44) und einer zugeordneten Bauteilfläche infolge der hin- und hergehenden Bewegung des zweiten Bauteiles (14), damit jede der Biegefedern (40) einen eingespannten, eingespannten, verjüngten Träger mit im Wesentlichen konstanter Spannung bildet.
2. Biegefedernträger für eine Schwingvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Flansch (42, 44) eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist mit einer flachen Unterseite zur Auflage auf einem entsprechenden flachen Flächenteil eines Bauteiles (10, 14), und wobei die Befestigungseinrichtungen (46, 48, 50, 52, 54, 56) Öffnungen (50, 52) in dem ersten Bauteil (10) und in dem zweiten Bauteil (14) aufweisen zur Aufnahme eines Gewindeansatzes (46, 48), der von der Unterseite eines jeden Flansches (42, 44) wegragt; und eine Gewindemutter (54, 56) auf einen betreffenden Gewindeansatz (46, 48) aufgeschraubt ist, und wobei durch Festziehen dieser Mutter gegen eine Schulter (58) in der Öffnung (50, 52) der Gewindeansatz (46, 48) unter Zugspannung zu versetzen ist, um zu bewirken, dass die Unterseite des entsprechenden Flansches (42, 44) in der besagten erzwungenen Anlage ist.
3. Biegefedernträger für eine Schwingvorrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder Flansch (42, 44) an seiner Unterseite einen Durchmesser aufweist, der wenigstens dreimal so gross ist wie der Durchmesser der Öffnung (50, 52), in die der Ansatz (46, 48) hineinragt.
4. Biegefedernträger für eine Schwingvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Bauteil (10) ein Ringplatte (64) ist und die Federn (40) in einem Kreis angeordnet sind.
5. Biegefedernträger für eine Schwingvorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Bauteile eine rechteckige Form (68) aufweist und die Federn (40) längs einer Vielzahl von Seiten angeordnet sind.
6. Biegefedernträger für eine Schwingvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flächen der Bauteile (10, 14), an welchen die Flansche (42, 44) der Federn (40) anliegen, sich in Ebenen befinden, die parallel sind zu der Bewegungsebene des zweiten Bauteiles (14), und bei Abwesenheit einer solchen Bewegung, die Achse einer jeden Feder (40) senkrecht zu der Bewegungsebene steht.
DE69520740T 1995-10-05 1995-10-05 Flexible Federunterstützung für vibrierende Geräte Expired - Lifetime DE69520740T2 (de)

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