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Die Anmeldung betrifft die Technik
von Tellerfedern und insbesondere eine neuartige Tellerfeder und
das zur Herstellung dieser Feder verwendete Verfahren.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Federn von der Art der Tellertedern
werden zu verschiedenen Anwendungszwecken verwendet und bilden kreisförmige Elemente
aus Federstahl mit einer im allgemeinen kegelstumpfartigen Form
mit einem Innenumfang, der axial von der Ebene des Außenumfangs
der Feder beabstandet ist, so daß die Kraft, die axial gegen
die Feder aufgebracht wird, den Innenumfang sich in Richtung zu
dem Außenumfang bewegen
läßt, um die
Feder unter Kompressionsdruck zu setzen. Durch diese Bewegung des
kegelstumpfartigen Federstahlelements in Axialrichtung wird bewirkt,
daß die
Feder eine Rückstellkraft
erzeugt, die proportional der aufgebrachten Belastung ist, wobei
diese Rückstellkraft über die
relativ kleine Bewegung einer kegelstumpfartigen Feder hin nicht einheitlich
ist. Tellerfedern werden zu vielen Anwendungszwecken verwendet und
werden in Millionen für
eine große
Vielzahl von mechanischen Vorrichtungen hergestellt, beispielsweise
für Getriebe
von Automobilen usw. Da Tellertedern Massenproduktionsteile sind,
setzt sich die Verminderung in den Gesamtkosten zur Herstellung
einer Tellerfeder, selbst wenn diese relativ klein ist, in sehr
hohe Einsparungen bei den Bruttokosten um.
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Bisher werden Tellerfedern durch
Ausschneiden eines flachen, unterlegscheibenartigen Rings aus einem
Blech aus unlegiertem Kohlenstoffstahl ausgeformt, das normalerweise
kaltgewalzt ist. Nachdem der flache Ring aus Kohlenstoffstahl aus dem
Stahlblech oder -streifen ausgestanzt oder ausgeschnitten ist, wird
er durch Aufbringen von Druck durch ein Preßwerkzeugpaar in eine kegelstumpfartige
Form preßgeformt.
Das kegelstumpfartige Stahlelement wird auf eine relativ hohe Temperatur
von annähernd
1093,3°C
(2 000°F)
erwärmt
und wird anschließend
abschreckgehärtet,
um die Federeigenschaften in dem kegelstumpfartigen Element zu schaffen.
Nach dem Abschreckhärten
folgen oft Erwärmungs-
und Abkühlungsschritte,
um die Feder zu entspannen, Verformungen in der Feder zu vermindern,
die gewünschte
Endhärte
zu erhalten und die Feder in ihre endgültige Form zu bringen. Dieses
allgemeine Herstellungsverfahren wird zur Herstellung von Tellerfedern
verwendet. Bei der Herstellung solcher Federn fällt ein sehr großer Betrag
an Abfallmaterial an, insbesondere bei größeren Größen mit mehr als etwa 5,8 mm
(2,0 Zoll) Durchmesser beim Innenumfang, wo der Metallgehalt der
Tellerfeder oft 30–50%
des Preises der Feder selbst ausmacht. Auf Grund des Ausstanzens
des ringförmigen
Rohlings, das beim Ausformen der Tellerfeder aus Bandstahl zur Anwendung
kommt, weisen die Ränder
des Teils die normalen Grate und Schermarken auf. Wenn das ausgeformte
Teil wärmebehandelt
wird, können
die Ränder
des ausgestanzten Blechrohlings auf Grund von winzigen Rissen sehr
brüchig
werden. Diese Risse müssen
mit teuren und zeitaufwendigen Verfahren beseitigt werden, beispielsweise
durch Trommelputzen oder Abschleifen, wodurch die Ränder geglättet werden,
um die Ermüdungsfestigkeit
der Tellerfeder zu erhöhen.
Mithin tragen der Betrag an Metallabfall, die entstehenden Grate
und die Spannungsrisse in den ausgestanzten Rändern der Feder und andere Probleme,
die bei der Herstellung von Tellerfedern anzutreffen sind, wesentlich
zu den Kosten für
diese Massenproduktionsfedern bei.
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Des weiteren werden in dem Patent
GB 1 248 473 sämtliche
Merkmale des Oberbegriffs von jedem der Ansprüche 1 und 5 und insbesondere
von Belastung aufbringenden, eine Reibungskupplung einrückenden
Federn offenbart. Die Federn umfassen ein ringförmiges Teil aus Federblech,
wobei einer der in Radialrichtung inneren und äußeren Ränder des ringförmigen Teils
in Axialrichtung relativ zu dem anderen bewegbar ist, um eine Kupplung
einzurücken
oder auszurücken.
Ein Verfahren zur Herstellung der Feder umfaßt den Schritt des Biegens
eines Federmetalls in eine Ringform, wobei die Breite des Streifens
im wesentlichen radial von dieser Ringform verläuft. Die Enden der Streifen
werden miteinander verbunden, um einen geschlossenen Ring zu bilden, nachdem
der Streifen in die Ringform gebogen wurde. Die Feder weist eine
gewölbte
Form auf, die durch einen Kegelstauchvorgang hergestellt wird, der
ausgeführt werden
kann, nachdem die Enden des Streifens miteinander verbunden sind.
Wahlweise weist die durch den Schritt des Biegens des Streifens
aus Federmetall hergestellte Ringform eine gewölbte Gestalt auf, die sie während des
Biegeschritts erhält.
Die Enden des Streifens können
durch Verschweißen
miteinander verbunden werden, oder eines der Enden des Streifens
kann mit einer Vertiefung und das andere Ende mit einer Zunge ausgebildet
werden, die zwecks Zu-sammengreifens mit der Vertiefung angeordnet
ist. Die durch Ineingriffbringen der Zunge und der dazu passenden
Vertiefung miteinander verbundenen beiden Enden schaffen einen mechanischen
Verschluß.
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AUFNAHME DURCH
VERWEIS
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In der von Associated Spring veröffentlichten Druckschrift
mit dem Titel Belleville Spring Washers werden auf Seite 71–77 der
Aufbau und die Funktionsweise von Tellerfedern beschrieben, so daß die den
Tellerfedern zugeordnete Technologie nicht wiederholt zu werden
braucht. In Johnson 3,259,383 wird eine besondere Art einer Tellerfeder
dargestellt, und in Schober 4,039,354 werden das Verfahren zur Herstellung
von Tellerfedern und eine Verbesserung an diesem Verfahren beschrieben,
bei welcher der Kohlenstoff in dem zum Ausstanzen und Ausformen von
Tellerfedern verwendeten Stahl gesteuert wird.
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ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Tellerfeder bereitgestellt, beinhaltend einen dünnen Streifen
aus Federstahl, welcher zu einem kreisförmigen Körper mit einer kegelstumpfartigen
Form mit einem inneren Durchmesser und einem äußeren Durchmesser gewickelt
wird, wobei der Streifen zwei aneinander angrenzende freie Enden
aufweist. Gemäß der Erfindung
umfaßt
die aus gewickeltem Federstahl ausgeformte Tellerfeder eine Anordnung zum
lösbaren
Verbinden der freien Enden, um die Kreisform der Feder zu bilden.
Bei der bevorzugten Anordnung werden Verschließmittel an jedem der freien
Enden verwendet, so daß die
Elemente lösbar in
die Kreisform ei ner Tellerfeder verbunden werden können. Nachdem
die Enden verbunden und in Verwendung gebracht sind, werden die
freien Enden in ihrem verschlossenen Verhältnis gehalten. Da die Tellerfeder
durch zwangsweises Wickeln eines geraden, dünnen Streifens aus Federstahl
in den kreisförmigen
Körper
ausgeformt wird, wird die Feder nicht durch das Ausstanzverfahren
hergestellt, das bisher zu sehr großem Materialabfall und zu Randmängeln geführt hat.
Die Ränder
des zwangsweise gewickelten Streifens aus Federstahl sind glatt
oder profiliert und brauchen anschließend nicht zwecks Beseitigung
von Graten oder anderen Randmängeln
trommelgeputzt oder geschliffen zu werden. Da die Tellerfeder aus
einem langgestreckten Streifen aus Federstahl ausgebildet wird,
ist keine Wärmebehandlung vonnöten, um
die ungehärtete
Tellerfeder in eine gehärtete
Feder zu umzuwandeln. Der Streifen selbst ist eine Feder, die vor
dem Durchlauf durch eine standardmäßige Wickelvorrichtung, beispielsweise
eine bei der Herstellung von Sprengringen verwendete Wickelvorrichtung,
gehärtet
wird. Demzufolge umfaßt die
Erfindung eine zwangsweise gewickelte, kegelstumpfartige Form mit
freien Enden. Das Ausformen oder Wickeln des gehärteten Federstahls kann in
einem gewünschten
vertikalen Winkel erfolgen, wodurch automatisch Windungen mit einer
kegelstumpfartigen Form hergestellt werden, die lediglich in Stücke geschnitten
werden müssen,
um die freien Enden der neuartigen Tellerfeder gemäß der Erfindung
zu bilden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
erfolgt das mechanische Wickeln des flachen Streifens aus gehärtetem Federstahl
in eine kontinuierliche, im allgemeinen kreisförmige Windung in einer mechanischen
Wickelvorrichtung, die so eingestellt ist, daß sie automatisch die kegelstumpfartige
Form herstellt, so daß die
Differenz zwischen den Radien der Ränder des gewickelten, gehärteten Streifens
wesentlich geringer als die Breite des Streifens ist. Mithin werden
die kreisförmigen
Windungen jeweils mit einer kegelstumpfartigen Form hergestellt.
Die Windungen, die durch dieses mit standardmäßigen Ausrüstungen vorgenommene Kegelstumpf-Wickelverfahren
entstehen, werden in kreisförmige
Formen zerschnitten, um erste und zweite freie Enden des profilierten,
gewickelten Federstahlstreifens zu bilden. Dann werden die freien
Enden ohne Notwendigkeit für
einen Wärmehärtungsvorgang
miteinander zu einer kegel stumpfartigen Tellerfeder verbunden, wie das
bei der bevorzugten Ausführungsform
erfolgt. Der gehärtete
Federstahl mit einem gewünschten Krümmungsradius
wird mit einer standardmäßigen Federwickelvorrichtung
aus einem geraden Federstreifen gewickelt. Die entstehenden kreisförmigen Windungen
werden in einzelne Ringe mit freien Enden zerschnitten, die zwecks
Ausformung einer Tellerfeder miteinander verbunden werden. Bei dieser Ausführungsform
werden die kegelstumpfartigen Windungen durch den Wickelvorgang
selbst hergestellt, werden zerschnitten und dann zu der Tellerfeder
verbunden. Die fertige Tellerfeder ist ein gewickelter Streifen
mit einer kegelstumpfartigen Form mit freien Enden, die lösbar miteinander
zu einer Tellerfeder befestigt werden.
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Durch Anwendung der vorliegenden
Erfindung, insbesondere für
große
Tellerfedern mit Innenumfängen
mit Durchmessern von mehr als etwa 50,8 mm (2,0 Zoll) erfolgt eine
beträchtliche
Einsparung an Abfall gegenüber
dem bisherigen Verfahren des Ausstanzens eines Rings aus einem Stahlblech,
des Ausformens des ausgestanzten Rings in eine kegelstumpfartige
Form und dann des Wärmebehandelns der
fertigen Konstruktion, um dessen Härte zum Aufbringen einer Federzustands
zu erhöhen.
Die freien Enden weisen wahlweise einen verschließenden Schwalbenschwanz
oder eine andere Anordnung zum Verbinden der freien Enden in eine
Kreisform auf, die eine Tellerfeder ergibt. Es wurde festgestellt, daß man durch
Verbinden der freien Enden des gewickelten, gehärteten Federstahls zu einer
Tellerfeder die Eigenschaften einer typischen ausgestanzten und
wärmebehandelten
Tellerfeder erhält.
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Als Beispiel für eine gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruierte Tellerfeder wurde ein gehärteter Streifen aus Kohlenstoffstahl
SAE 1074 mit einer Dicke von 1,1 mm (0,043 Zoll) und einer Breite
von 8,3 mm (0,325 Zoll) zwangsweise in eine Windung mit einem Innendurchmesser
oder -umfang von 129,3 mm (5,098 Zoll) und einem Außendurchmesser
oder -umfang von 146,0 mm (5,748 Zoll) gewickelt. Diese kegelstumpfartige
Tellerfeder besaß zusammengehaltene
schwalbenschwanzförmige
oder verschließende
freie Enden. Zum Vergleichen dieser Tellerfeder mit einer standardmäßigen kontinuierlichen,
ringförmigen
Tellerfeder wurde eine Testvorrichtung verwendet. Es wurde festgestellt,
daß die
Eigenschaften des Beispiels und einer kontinuierlichen, ausgestanzten
Tellerfeder im wesentlichen die gleichen waren. Sie wiesen beide
ein Höhen-Dicken-Verhältnis von
1,9 auf. Die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Tellerfeder wurde zwischen den Höhen von
2,1 mm–1,2
mm (0,083–0,048 Zoll) über 2 500
000 Zyklen ohne Bruch ermüdungsgetestet.
Die Zugbeanspruchung an dem Außendurchmesser
der neuen Tellerfeder betrug annähernd
572 MPa (83 000 psi) bei einer Höhe
von 2,1 mm (0,083 Zoll) und 869 MPa (126 000 psi) bei einer Höhe von 1,2
mm (0,048 Zoll), wobei standardmäßige Tellertederkonstruktionsparameter
verwendet wurden. Dieser Test an dem Beispiel offenbarte, daß eine Tellerfeder,
deren Form kegelstumpfartig ist und zwei miteinander verbundene
freie Enden aufweist, im wesentlichen genau so wie eine ausgestanzte
Tellerfeder wirkt, deren Form kontinuierlich ist. Demzufolge führt die
Verwendung der vorliegenden Erfindung, bei der ein Federstreifen
ohne gleichzeitige kegelstumpfartige Profilierung zwangsweise in
eine Kreisform gewickelt wird, um anschließend miteinander zu verbindende
freie Enden herzustellen, zu der gleichen Federwirkung wie bei einer
standardmäßigen kontinuierlichen
Tellerfeder.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Hauptaufgabe zugrunde, eine Tellerfeder zu schaffen, wobei diese
Feder so in Form gewickelt und geschnitten wird, daß sie freie
Enden mit einer Lücke
dazwischen bildet, und die Enden lösbar miteinander verbunden werden,
um die ringförmige
Feder fertigzustellen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
umfaßt ein
Verfahren zum Herstellen einer Tellerfeder das Wickeln eines flachen
Streifens gehärteten
Federstahls in eine kontinuierliche, im wesentlichen kreisförmige Windung
mit freien Enden und dann das Verbinden der freien Enden zu einer
Tellerfeder in einer Weise, bei der die freien Enden lösbar miteinander verbunden
werden.
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Die Vorteile der Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den anliegenden Zeichnungen
erkennbar.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine bildliche Ansicht einer gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Tellerfeder und zeigt die freien Enden,
wobei die Verschließelemente
voneinander beabstandet sind;
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2 ist
eine bildliche Ansicht ähnlich 1 und zeigt die Tellerfeder,
wobei die freien Enden verschlossen sind, wenn die Feder zwecks
Verwendung zusammengefügt
ist;
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer Tellerfeder und zeigt die normalen
Parameter einer Tellerfeder;
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4 ist
eine Draufsicht von oben auf die Vorrichtung und das Verfahren zum
Ausformen einer Tellerfeder gemäß der vorliegenden
Erfindung und zeigt die kreisförmigen
Windungen von einer Wickelvorrichtung, wobei diese Windungen zwecks
Schaffung freier Enden zerschnitten sind,
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5 ist
eine im allgemeinen längs
der Linie 5-5 von 4 geführte seitliche
Teilansicht;
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6 ist
eine im allgemeinen längs
der Linie 6-6 von 4 geführte vergrößerte Querschnittsansicht;
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7 ist
eine vergrößerte Draufsicht
von oben auf die in 4 dargestellte
Stanzstation;
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8 ist
ein vergrößerter Abschnitt
der freien Enden einer gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Tellerfeder und zeigt die mit der schematisch
in 7 dargestellten Stanzstation
ausgestanzten Verschließelemente;
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9 ist
eine Draufsicht von oben auf einen kreisförmigen Vorformling, dessen
freie Enden verschlossen sind, und der eine flache Form zur Vorbereitung
des Wärmehärtens aufweist;
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10 ist
eine Ansicht der Verschließelemente
an den freien Enden einer Tellerfeder und zeigt eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der die freien Enden einer Feder in Ruhelage
einen kleinen Spalt zur Vorbereitung des Verschließens nach
der Darstellung in 9 aufweisen;
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11 ist
eine Querschnittsansicht der wärmehärtenden
Formwerkzeuge mit dem flachen Vorformling nach der Darstellung in 9 an Ort und Stelle zum
Wärmehärten der
Tellerfeder;
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12 ist
eine Ansicht ähnlich 11 mit dem Wärmehärtungs-
und Formwerkzeug in der Ausformungsposition;
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13 ist
ein Diagramm, das einen Vergleich zwischen der oben erläuterten
Probe und einer standardmäßigen Tellerfeder
zeigt;
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14 ist
eine Draufsicht von oben ähnlich 4 und zeigt eine Modifizierung
der vorliegenden Erfindung, bei der die kreisförmigen Windungen geneigt sind,
wenn sie aus der Wickelvorrichtung austreten, um automatisch die
kegelstumpfartige Form einer Tellerfeder herzustellen;
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15 ist
eine im allgemeinen längs
der Linie 15-15 von 14 geführte, vergrößerte Querschnittsansicht;
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16–23 sind vergrößerte Ansichten
von oben, bei denen die freien Enden einer gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruierten Tellerfeder mit mehreren männlichen und weiblichen Verschließformen
konstruiert sind;
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24 ist
eine Draufsicht von oben und zeigt die freien Enden einer konstruierten
Tellerfeder, bei der die freien Enden miteinander stumpfgeschweißt sind;
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25 ist
eine seitliche Querschnittsansicht der freien Enden der Tellerfeder
und zeigt schematisch einen Stumpfschweißvorgang;
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26 ist
eine im allgemeinen längs
der Linie 26-26 von 24 geführte, vergrößerte Querschnittsansicht;
und
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27 ist
eine vergrößerte Ansicht
und zeigt die freien Enden einer Tellerfeder mit einem ringförmigen Spalt
dazwischen, wobei dieser Spalt zum Verbinden der freien Enden verwendet
werden kann.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORM
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In den Zeichnungen nunmehr, in denen
die Darlegungen nur dem Zweck der Darstellung von bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung und nicht dem Zweck der Beschränkung derselben dienen, stellt 1 eine Tellerfeder B in
Form eines kreisförmigen
Körpers 10,
der aus einem gewickelten, gehärteten
Federstahlstreifen S mit freien Enden 20, 22 ausgebildet
ist, mit Verschließ-
oder Schwalbenschwanzelementen dar, die als weibliches Element 24 und
als männliches
Element 26 dargestellt sind. Bei Gebrauch der Tellerfeder
sind die freien Enden durch Elemente 24, 26 verschlossen
oder zusammengehalten, um die kegelstumpfartige Form einer Tellerfeder
nach der Darstellung in 2 zu
bilden. Diese Feder wird zu den gleichen Anwendungszwecken wie jede
Tellerfeder verwendet. Die Verschließ- oder die Schwalbenschwanzelemente
brauchen nicht fest angebracht zu werden; diese Elemente können jedoch
durch Anschweißen,
Ankleben oder in anderer Weise befestigt werden. Wenn die Tellerfeder
B gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist, weist sie das in 3 dargestellte seitliche Profil auf.
Die Feder B ist in der Form kegelstumpfartig, wobei ein kreisförmiger Körper 10 aus
einem gehärteten
Federstahlstreifen S ausgeformt ist und dieser Streifen eine Breite
w und eine Dicke t aufweist. Durch die kegelstumpfartige Form wird
ein Innenkreisumfang 14 mit einem Durchmesser a und ein Außenkreisumfang 12 mit
einem Durchmesser B geschaffen. Die Gesamthöhe h reicht vom Oberteil der Tellerfeder
bis zur unteren Ebene des Außenumfangs 12.
Die Höhe
H ist der zusammen mit der Dicke t genommene Grundparameter, der
die Funktionseigenschaften der Tellerfeder B definiert. In der Praxis liegt
das Verhältnis
h/t im allgemeinen Bereich von 1,4–1,6, und durch dieses Verhältnis kann
die Tellerfeder B bei im wesentlichen konstanter Belastung zwischen
etwa 50% Durchbiegung bis zu 100 Durchbiegung, d. h. flach, funktionieren.
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In 4 sind
schematisch das Verfahren und die Vorrichtung zum Konstruieren der
Tellerfeder B dargestellt. Eine standardmäßige Sprengringwickelvorrichtung 30 wickelt
den auf einer Spule 32 gespeicherten flachen Streifen S,
wobei diese Spule um 90° gedreht
ist, um die Zuführung
des Streifens S zu zeigen. Der Streifen wird um einen Radius r in
einer Richtung quer zu der Breite w und senkrecht zu der Dicke t
gebogen. Der Streifen S wird gehärtet,
um einen Federstahlstreifen bereitzustellen. Diese Härte beträgt in der
Praxis annähernd
43–48
C auf der Rockwell-C-Skala, wenn Kohlenstoffstahl SAE 1074 wie in
dem vorher erläuterten
Beispiel eingesetzt wird. Der flache Streifen S, der in der Praxis
eine Breite von 8,3 mm (0,325 mm) und eine Dicke von 1,1 mm (0,43
Zoll) aufweist, wird in eine Kreisform mit dem Radius r gewickelt,
der in der Praxis mindestens 25,4 mm (1,0 Zoll) beträgt. Wenn
der Streifen S durch die Sprengringwickelvorrichtung 30 geführt wird,
wird er um eine Krümmungsmitte
c mit einem Radius r in Querrichtung in eine Windung C gebogen,
so daß sich
die Windungen weiter miteinander überlappen, wenn der Streifen
aus der Wickelvorrichtung 30 austritt. Zur Ausformung der
freien Enden 20, 22 ist eine Stanzstation 40 vorgesehen.
Diese Station weist gegenläufige
Werkzeuge auf, die beide Enden 20, 22 gleichzeitig
oder nacheinander ausschneiden. Wie in 7 gezeigt ist, werden Werkzeugelemente 42, 44 nach
unten gegen den Körper 10 bewegt,
nachdem ein kleines Ende 50 des Streifens S durch die Stanzstation 40 geführt wurde.
Ein Werkzeug 40 mit Werkzeugelementen 42, 44 bewegt
sich nach unten, und durch diesen Vorgang werden das weibliche wie auch
das männliche
Element der freien Enden 20, 22 ausgeschnitten.
Bei diesem Falle ist der Abschnitt 50 Abfall und wird bei
jedem Ausstanzvorgang gebildet. Bei einer an-deren Anordnung zum
Ausschneiden der Elemente 24, 26 wird zu einer
gegebenen Zeit eine einzelne Lage des Streifens S ausgeschnitten. Dieser
Vorgang ist in 5 gezeigt.
Nachdem das Ausschneiden durch die Werkzeugelemente 42, 44 erfolgt
ist, wirkt das vorher ausgeschnittene freie Ende 20 mit
dem anschließend
ausgeschnittenen freien Ende 22 zusammen. Danach läuft das
neue freie Ende 20 weiter um die Windung C herum in eine Überlappungsstellung,
die in 5 gezeigt ist.
Mit jedem Schnitt wird das Verschließelement am Ende der kreisförmigen Windung
zwecks Zusammenwirkens mit dem vorher ausgeschnittenen Ende hergestellt;
folglich wird kein Abfall produziert. Das Profil für das obere
Werkzeugelement 42 und das untere Werkzeugelement 44 weist
die in Strichellinie in 7 gezeigte
Form auf. Die Elemente sind die in 5 gezeigten
oberen und unteren Werkzeugelemente. Diese Werkzeugabschnitte könnten zum gleichzeitigen
Ausschneiden nach der Darstellung in 7 oder
zum aufeinanderfolgenden Ausschneiden nach der Darstellung in 5 zum Einsatz kommen. Es
könnten
auch andere Ausstanzvorgänge zum
Ausschneiden der Enden der Windungen verwendet werden, um eine geteilte
ringförmige
Feder herzustellen. Unabhängig
von der Form des Ausschneidens weist der Streifen S freie Enden 20, 22 mit
Verschließelementen 24, 26 nach
der Darstellung in 8 auf.
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Nachdem die Enden an der Stanzstation 40 ausgeschnitten
sind, werden die beiden Enden in der in 8 gezeigten Weise verbunden. Durch diesen Verbindungsvorgang
wird ein flacher, gewickelter Rohling oder Vorformling 100 geschaffen,
wie er in 9 gezeigt
ist. Bei dem in 5 gezeigten Schneidvorgang
kann ein Zwischenraum oder eine Lücke 60 geschaffen
werden, wie er/sie in 10 gezeigt
ist. Dieser Zwischenraum wird geschlossen, wenn das Element 26 in
ein Verschließverhältnis mit dem
Element 24 bewegt wird. Durch den in 7 gezeigten gleichzeitigen Schneidvorgang
wird kein Spalt 60 geschaffen. Der Spalt 60 kann
von einigem Wert beim Bereitstellen eines bestimmten Betrags an Haltespannung
bei dem Verschließvorgang
zwischen den Elementen 24, 26 sein.
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Der flache, gewickelte Ring aus gehärtetem Federstahl
ist der in 9 gezeigte
Vorformling 100. Dieser Vorformling wird mit einem Druck-
und Wärmebehandlungsvorgang,
der schematisch in den 11 und 12 dargestellt ist, in die
kegelstumpfartige Form nach der Darstellung in den 1 und 2 geformt.
Die Wärmehärtungspresse 110 weist
einen oberen Pressentisch 112 und einen unteren Pressentisch 114 auf.
Elektrische Quellen 120, 122 liefern Energie zum
Beheizen der Pressentische bis zu der gewünschten Wärmehärtungstemperatur, wobei diese Temperatur
im Bereich von 426,6°C–537,7°C (800°F–1000°F) liegt.
In dem in dieser Offenbarung erläuterten
Beispiel beträgt
die Temperatur annähernd
482,2°C
(900°F).
Der obere Pressentisch 112 weist ein Werkzeugelement mit
einer konischen Fläche 130 auf.
In gleicher Weise weist der untere Pressentisch ein Werkzeugelement
mit ei ner konischen Fläche 132 auf.
Das untere Werkzeugelement weist eine sich nach oben erstreckende
Erhebung 134 auf, die im allgemeinen dem Innenumfang 14 des
Rohlings oder Vorformlings 100 entspricht. Die Erhebung 134 ragt
in die zylindrische Aussparung 136 hinein, die Spielraum
für die
Erhebung bereitstellt, wenn der Pressentisch 112 von der
in 11 gezeigten Belastungsstellung
in die in 12 gezeigte
Ausformungsstellung bewegt wird. Der Vorformling 100 wird
in der in 12 gezeigten
Weise in eine kegelstumpfartige Form ausgeformt und wird über einen
längeren
Zeitraum, der in der Praxis im allgemeinen Bereich von 1,0–2,0 Minuten
liegt, in der Ausformungsstellung gehalten. Der Rohling oder Vorformling 100 weist
in seinem flachen Zustand Enden 20, 22 auf, die
von dem Element 24, 26 verschlossen werden. Nach
dem Wärmehärtungszyklus,
bei dem eine ausgewählte Temperatur
und ein ausgewählter
Zeitraum zum Einsatz kommen, wird der Pressentisch 112 in
der in 11 gezeigten
Weise nach oben in die Belastungsstellung geschoben. Dadurch entsteht
eine kegelstumpfartige Tellerfeder, wie sie in den 1 und 2 gezeigt
ist. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung wird der flache, gehärtete Federstahlstreifen zuerst
in Querrichtung in Windungen C geformt, die zur Schaffung des flachen,
verschlossenen Vorformlings 100 zerschnitten werden. Dieser
Vorformling wird dann durch Wärme
und Druck zu einer Tellerfeder ausgeformt. In 6 sind Ränder 150, 152 so profiliert,
daß sie
eine glatte, gebogene Form aufweisen. Mithin brauchen diese Ränder 150, 152 während des
Herstellungsverfahrens nicht zwecks Beseitigung von Oberflächenfehlern
bearbeitet zu werden.
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13 ist
ein Diagramm, das die Belastungseigenschaften bei einer gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Tellerfeder zeigt, die durch die in durchgehender
Linie gezeigte Kurve des Diagramms dargestellt wird. Diese Kurve
wird mit der Strichellinienkurve des Diagramms verglichen, wobei diese
zweite Kurve eine standardmäßig ausgestanzte
kreisförmige
Tellerfeder darstellt. Wie zu erkennen ist, wirken die zwei Federn,
da die Gesamthöhe
H von 3,3 mm (0,130 Zoll) auf 1,1 mm (0,045 Zoll) abnimmt, im wesentlichen
gemäß den gleichen
Belastungseigenschaften. Das Beispiel gemäß der Erfindung weist einen
Innendurchmesser von 129,3 mm (5,098 Zoll) auf und ist aus einem
gehärteten
Federmetallstreifen mit einer Breite w von 8,3 mm (0,325 Zoll) und
einer Dicke t von 10,9 mm (0,43 Zoll) ausgeformt. Diese gleichen
Abmessungseigenschaften wurden für
die standardmäßige Tellerfeder
verwendet, die durch die Strichellinienkurve in 13 dargestellt ist.
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In den 14 und 15 ist nunmehr die mechanische
Sprengringwickelvorrichtung 200 so modifiziert, daß automatisch
die kegelstumpfartige Form ausgebildet wird, wenn der gehärtete Federstreifen
S gewickelt wird. Der aus der Sprengringwickelvorrichtung 200 austretende
gewickelte Federstreifen S weist eine kegelstumpfartige Form auf,
bei welcher der Durchmesser a um einen Betrag, der wesentlich geringer
als die Breite w ist, geringer als der Außendurchmesser b ist. Eine
Schneidstation 202 führt
die in den 5 und 7 dargestellten Ausschneidvorgänge aus.
Auf diese Weise wird der gewickelte Streifen S in Windungen C' geformt und in kreisförmige Körper zerschnitten.
Die Körper
werden mit freien Enden mit verschließenden oder schwalbenschwanzförmigen verschließenden Elementen
versehen. Auf diese Wiese wird die Tellerfeder lediglich durch Zerschneiden
der Windungen in Kreisformen hergestellt. Mit diesem Vorgang wird
der in den 11 und 12 dargestellte Wärmehärtungsvorgang
vermieden. Da es keinen Wärmehärtungsvorgang
gibt, wird der Streifen S von der mechanischen Sprengringwickelvorrichtung 200 in
Querrichtung stärker
verdreht als dann, wenn nur ein flacher Vorformling 100 hergestellt
wird. Bei zu starker Verdrehung springt die Form in Richtung zu
der ursprünglichen
Form zurück,
um die gewünschte
kegelstumpfartige Form der Tellerfeder B' zu schaffen. Die Tellerfeder ist dennoch
eine aus einem gehärteten
Streifen gewickelte Feder. Die bevorzugte Ausführungsform mit den in den 4, 11 und 12 gezeigten
Schritten wurde praktisch umgesetzt; bei der dargestellten zweiten
Ausführungsform, die
in den 14–15 dargestellt ist, wird
jedoch eine Tellerfeder hergestellt, die nicht wie nach dem Stand der
Technik ausgestanzt, ausgeformt, wärmebehandelt usw. zu werden
braucht.
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In den 16–23 nunmehr weisen freie Enden 210, 212 mit
dem oder ohne den in 10 gezeigten
Spalt Verschließstrukturen
mit zusammengreifenden Verschließelementen oder Schwalbenschwänzen auf.
In 16 umfassen Verschließelemente 220 ein
Schwalbenschwanzelement 222 auf, das in ein Aussparungselement 224 paßt. In ähnlicher
Weise werden in 17 Verschließmittel 230 mit
Elementen 232, 234 verwendet, und 18 zeigt ein schwalbenschwanzförmiges Verschließmittel 240 mit
Elementen 242, 244. In 19 umfaßt das Verschließmittel 250 sich
quer erstreckende Verschließelemente 252, 254 an
den freien Enden 210 bzw. 212. Eine ähnliche
Anordnung mit in Längsrichtung beabstandeten
Schwalbenschwänzen
ist als Verschließmittel 260 mit
Elementen 262, 264 in 20 gezeigt. Die 21–23 beinhalten jeweils Verschließmittel 270, 280, 290 mit
Verschließelementen 272, 274 und 282 bzw. 284, 292 und 294.
Bei diesen Ausführungsformen
werden die freien Enden 210, 212 an der Stanzstation
jeweils längs
allgemein diagonalen Linien 276, 286 und 296 ausgeschnitten oder
ausgestanzt. Diese Verschließmittel
sind ständig
miteinander befestigt oder werden als lediglich verschlossene Elemente
verwendet. Die Tellerfeder hält
im allgemeinen die Eingriffsbeziehung zwischen den Verschließmitteln
aufrecht, während
sie in Gebrauch ist. Die jeweiligen Elemente könnten durch einen einzigen
Ausschneide- oder Ausstanzvorgang an der Stanzstation 40 oder
an der Stanzstation 202 in der in 7 gezeigten Weise gleichzeitig ausgebildet
werden.
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In den 24–26 sind freie Enden 310, 312 längs der
Linie 320 miteinander stumpfgeschweißt. Wie in 25 dargestellt ist, können die freien Enden einen
Spalt 322 aufweisen, nachdem sie an der Stanzstation 40 oder
an der Stanzstation 202 ausgeschnitten wurden. Durch Klammern 330, 332 werden die
Enden 310, 312 erfaßt und werden diese Enden zusammen
bewegt, wenn eine Leistungsversorgung 340 Strom zwischen
den Enden 310, 312 anlegt, um die Enden längs der
Schweißnaht 320 stumpfzuschweißen. Das
Endprodukt ist in der Querschnittsansicht in 26 gezeigt.
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In 27 sind
freie Enden 350, 352 längs der diagonalen Schnittlinie 354 zur
Bildung der Schweißnaht 356 stumpfgeschweißt. Zum
sicheren Befestigen der freien Enden der Tellerfeder könnten verschiedene
Verfahren vorgesehen werden. In der Praxis werden die in 9 dargestellten schwalbenschwanzförmigen oder
Verschließelemente
oder die in 16 dargestellten
schwalbenschwanzförmigen Elemente
bevorzugt. Die Verschließmittel
halten die freien Enden ohne nachfolgende Bearbeitung wie das Verschweißen oder
das Verkleben der Verschließmittel
zusammen.
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Der Streifen S des Beispiels ist
Ankaufmaterial mit abgerundeten Ecken Nr. 1, wobei diese Ecken 150, 152 in 6 gezeigt sind. Dieser gehärtete Federstahlstreifen
wird in die gewünschten
Windungen gewickelt und so zerschnitten, daß die Verschließ- oder
schwalbenschwanzförmigen
Elemente geschaffen werden. Dann wird der Rohling oder Vorformling 100 zusammen
mit den Verschließelementen
zusammengefügt
und in einem Wärmehärtungsvorgang
unter Druck geformt, wobei der Vorformling 100 zwischen
zwei Formwerkzeugen gehalten wird. Der Ausformungsvorgang wird bei
einer hohen Temperatur, in der Praxis von annähernd 482,2°C (900°F), etwa 1,0 Minute lang ausgeführt. Zwischen
den Pressentischen 112, 114 wird ein Druck von
annähernd 15–30 Tonnen
aufgebracht. Nachdem das Teil wärmegehärtet ist,
wird die Härte
des Teils um annähernd
2–5 Punkte
auf der Rockwell-C-Skala vermindert. Beim Ausformen der schwalbenschwanzförmigen oder
Verschließelemente
kommt die Stanzstation 40 oder die Stanzstation 202 als
hydraulischer Abschluß am
Auslaß einer
standardmäßigen Torin-Wickelvorrichtung
Nummer W 775 hinzu, wobei diese Wickelvorrichtung so modifiziert
ist, daß sie
Draht oder den Streifen S von einer Spule 32 zuführt. Die Torin-Wickelvorrichtung
ist eine Standardausrüstung zur
Herstellung von Sprengringen. Zum Einstellen des Radius r für die Windung
C werden innere Kurven in der Wickelvorrichtung verwendet. Es könnten auch
andere Federwickelvorrichtungen zum Wickeln des flachen Vorformlings 100 nach
der Darstellung in 9 oder
für die
kegelstumpfartigen Wicklungen C' nach
der Darstellung in 14 verwendet
werden.