-
- 1. Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung einer Tellerfeder.
- 2. Federn von der Art der Tellerfedern werden für verschiedenen
Anwendungen verwendet und bilden kreisförmige Elemente aus Federstahl
mit einer im allgemeinen frustriertkonischen 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
frustriertkonischen 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 frustriertkonischen 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 Tellerfedern 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.
- 3. Bisher werden Tellerfedern durch Ausschneiden eines flachen,
unterlegscheibenartigen Rings aus einem Blech aus unlegiertem Kohlenstoffstahl
geformt, 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 frustriertkonische Form preßgeformt. Das frustriertkonische
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 frustriertkonischen 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 endgülti ge 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 Innenumfangsdurchmesser
von mehr als etwa 50,8 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. Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Verbesserung bei der Herstellung von Tellerfedern, wobei durch
die Verbesserung der Abfall vermindert, die schädliche Wirkung von durch das
Ausstanzen und Wärmebehandeln
verursachten Kantenfehlern vermieden wird und eine Tellerfeder mit
den gewünschten
technischen Parametern oder Eigenschaften entsteht.
- 4. Des weiteren werden in dem Patent GB 1 248 473 Belastung
aufbringende, Federn offenbart die eine Reibungskupplung einrücken. 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 zu einer Ringform, wobei die Weite des Streifens im
wesentlichen radial von dieser Ringform verläuft. Die Enden der Streifen
werden miteinander verbunden, um ei nen geschlossenen Ring zu bilden,
nachdem der Streifen zu der 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 ausgebildet sein, und das andere Ende
kann mit einer Zunge ausgebildet sein, die zwecks Zusammengreifens
mit der Vertiefung angeordnet ist. Die durch Ineingriffbringen der
Zunge und der dazu passenden Vertiefung miteinander verbundenen beiden
Enden sorgen für
einen mechanischen Verschluß.
- 5. 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 US-A-3259383 wird eine besondere Art einer Tellerfeder
dargestellt, und in US-A-4039354 wird 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.
- 6. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Tellerfeder geschaffen,
aufweisend die Schritte des mechanischen Wickelns eines flachen
Streifens aus gehärtetem
Federstahl zu einer stetigen, im wesentlichen flachen kreisförmigen Windung,
wobei der gewickelte Streifen erste und zweite parallele, eine Weite
definierende Kanten aufweist. Die Wickelvorrichtung erzeugt eine
gewickelte Windung des gehärteten
Federstahlstreifens mit einem vorgewählten Krümmungsradius, der um ein sich
axial erstreckendes Erzeugungszentrum herum ausgebildet ist, wobei
die erste Kante oder der erste Um fang der Windung einen ersten Radius
aufweist und die zweite Kante oder der zweite Umfang der Windung
einen zweiten Radius aufweist. Der erste Radius ist um einen im
wesentlichen zu der Weite des gewickelten Federstahlstreifens gleich
großen
Betrag kleiner als der zweite Radius. Mithin wird der Streifen zu
einer flachen Konfiguration gewickelt, die das Durchschneiden des
Federstahlstreifens mit der kreisförmigen Konfiguration vorbereitet,
um eine im wesentlichen flach geformte Feder zu schaffen, wobei
das erste und das zweite freie Ende miteinander verbunden sind,
d. h. die freien Enden vor dem Ausformungsvorgang miteinander verschlossen
und/oder dauerhaft aneinander befestigt sind. Diese Verfahrensschritte
sind aus GB-A-1248473 bekannt. Die Erfindung ist gekennzeichnet
durch Erhitzen der flachen ringförmigen
Feder auf eine Temperatur von über
426,7°C
und gleichzeitiges Formen der flachen ringförmigen Feder unter axialem
Druck, um die ringförmige
Feder in eine frustriertkonische Form zu thermofixieren.
- 7. Nachdem die Feder um eine vorgegebene Krümmungsmitte mit einem gewählten Radius
herum gewickelt ist, können
die Windungen einander überlappen
und geschnitten werden, um die freien Enden zu bilden, oder das
freie Ende kann gesondert ausgestanzt oder geschnitten werden. Die
freien Enden können einen
verschließenden
Schwalbenschwanz oder eine andere Anordnung zum Verbinden der freien
Enden zu einer kreisförmigen
Konfiguration aufweisen, die eine Tellerfeder ergibt. Es wurde festgestellt,
daß durch Verbinden
der freien Enden des gewickelten, gehärteten Federstahlstreifens
zu einer Tellerfederkonfiguration die Eigenschaften einer typischen
ausgestanzten und wärmebehandelten
Tellerfeder erhalten werden.
- 8. 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 Weite
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 frustriertkonische
Tellerfeder besaß zusammengehaltene
schwalbenschwanzförmige
oder verschließende freie
Enden. Zum Vergleichen dieser geteilten 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
2500000 Zyklen ohne Bruch ermüdungsgetestet.
Die Zugbeanspruchung an dem Außendurchmesser
der neuen Tellerfeder betrug annähernd
572 MPa (83000 psi) bei einer Höhe
von 2,1 mm (0,083 Zoll) und 869 MPa (126000 psi) bei einer Höhe von 1,2
mm (0,048 Zoll), wobei standardmäßige Tellerfederkonstruktionsparameter
verwendet wurden. Dieser Test an dem Beispiel offenbarte, daß eine Tellerfeder,
deren Konfiguration frustriertkonisch ist und zwei miteinander verbundene
freie Enden aufweist, im wesentlichen genau so wie eine ausgestanzte
Tellerfeder wirkt, deren Konfiguration kontinuierlich ist.
- 9. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf Tellerfedern
anwendbar, die einen großen
Durchmesser aufweisen und in einer Umgebung mit geringer Spannung
wirken. Zur praktischen Ausführung
der Erfindung werden zwei Anordnungen verwendet. In einem Fall wird
der Federstahl in eine frustriertkonische Konfiguration gewickelt,
die sich überlappende
Windungen aufweist. Durch diese Windungen hindurch stanzen die Stempel
eines Werkzeugsatzes, um das erste und das zweite Ende der Tellerfeder
auszubilden. Danach ist die Tellerfeder lediglich entspannt.
- 10. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der gehärtete Federstahl in Querrichtung
wie ein Sprengring verdreht, um die Windungen zu bilden. Dann werden
die Verschlußelemente
von einem durch die sich überlappenden
Windungen hindurch laufenden Werkzeugsatz gestanzt, der geteilte
Ring wird an seinen freien Enden verbunden und unter Druck thermofixiert.
Bei beiden Ausführungsformen
ist der Ausgangs-Federstahlstreifen oder -draht ein hartgezogener
Stahlstreifen aus ölangelassenem
Material mit einer Härte
von mindestens 43–48
C auf der Rockwell-C-Skala. Durch Verwendung eines gehärteten Federstahls
bildet die Wickelvorrichtung den kreisförmigen Körper der Feder in einer Form aus,
die einen gewählten
Radius aufweist. Bei dem Thermofixierungsvorgang wird die Härte, wenn
die Windung in eine frustriertkonische Gestalt geformt wird, wird
die Härte
um etwa 5–10
Punkte auf der Rockwell-C-Skala
erniedrigt. Mithin weist die fertige Tellerfeder eine Härte von
annähernd
30–40
C auf der Rockwell-Skala auf.
- 11. Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung zusammen
mit den anliegenden Zeichnungen besser erkennbar.
-
1 ist
eine bildhafte Ansicht einer gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Tellerfeder und zeigt die freien Enden,
wobei die Verschlußelemente
voneinander beabstandet sind;
-
2 ist
eine bildliche Ansicht ähnlich 1 und
zeigt die Tellerfeder, wobei die freien Enden verschlossen sind,
wenn die Feder zwecks Verwendung zusammengefügt ist;
-
3 ist
eine Querschnittsansicht einer Tellerfeder und zeigt die normalen
Parameter einer Tellerfeder;
-
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,
-
5 ist
eine im wesentlichen längs
der Linie 5-5 von 4 geführte seitliche Teilansicht;
-
6 ist
eine im wesentlichen längs
der Linie 6-6 von 4 geführte vergrößerte Querschnittsansicht;
-
7 ist
eine vergrößerte Draufsicht
von oben auf die in 4 dargestellte Stanzstation;
-
8 ist
ein vergrößerter Bereich
der freien Enden einer gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Tellerfeder und zeigt die mit der schematisch
in 7 dargestellten Stanzstation ausgestanzten Verschlußelemente;
-
9 ist
eine Draufsicht von oben auf einen kreisförmigen Vorformling, dessen
freie Enden verschlossen sind, und der eine flache Konfiguration
zur Vorbereitung des Thermofixierens gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung aufweist;
-
10 ist
eine Ansicht der Verschlußelemente
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 auf-weisen;
-
11 ist
eine Querschnittsansicht der thermofixierenden Formwerkzeuge mit
dem flachen Vorformling nach der Darstellung in 9 an
Ort und Stelle zum Thermofixieren der Tellerfeder;
-
12 ist
eine Ansicht ähnlich 11 mit
dem Thermofixierungs- und Formwerkzeug in der Ausformungsposition;
-
13 ist
ein Diagramm, das einen Vergleich zwischen der oben erläuterten
Probe und einer standardmäßigen Tellerfeder
zeigt;
-
14 ist
eine Draufsicht von oben ähnlich 4 und
zeigt eine Modifizierung, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, bei der die kreisförmigen
Windungen geneigt sind, wenn sie aus der Wickelvorrichtung austreten,
um automatisch die frustriertkonische Konfiguration einer Tellerfeder
herzustellen;
-
15 ist
eine im wesentlichen längs
der Linie 15-15 von 14 geführte, vergrößerte Querschnittsansicht;
-
die 16–23 sind
vergrößerte Ansichten
von oben, bei denen die freien Enden einer gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruierten Tellerfeder mit mehreren männlichen und weiblichen Verschlußkonfigurationen
konstruiert sind;
-
24 ist
eine Draufsicht von oben und zeigt die freien Enden einer gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Tellerfeder, bei der die freien Enden miteinander
stumpfgeschweißt
sind;
-
25 ist
eine seitliche Querschnittsansicht der freien Enden der Tellerfeder
und zeigt schematisch den Stumpfschweißvorgang;
-
26 ist
eine im wesentlichen längs
der Linie 26-26 von 24 geführte, vergrößerte Querschnittsansicht;
und
-
27 ist
eine vergrößerte Ansicht
und zeigt die freien Enden einer Tellerfeder mit einem winkeligen Spalt
dazwischen, wobei dieser Spalt zum Verbinden der freien Enden verwendet
werden kann.
- 12. 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
Verschluß-
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 frustriertkonische Konfiguration einer
Tellerfeder nach der Darstellung in 2 zu bilden.
Diese Feder wird zu den gleichen Anwendungszwecken wie jede Tellerfeder
verwendet. Die Verschluß-
oder 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 Konfiguration frustriertkonisch,
wobei ein kreisförmiger
Körper 10 aus
einem gehärteten
Federstahlstreifen S ausgeformt ist und dieser Streifen eine Weite
w und eine Dicke t aufweist. Durch die frustriertkonische Form wird
ein Innenkreisumfang 14 mit einem Durchmesser a und ein
Außenkreisumfang 12 mit
einem Durchmesser b ge schaffen. 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, wobei dieses Verhältnis den
Tellerfeder B erlaubt, bei im wesentlichen konstanter Belastung
zwischen etwa 50% Durchbiegung bis zu 100% Durchbiegung, d. h. flach,
zu funktionieren.
- 13. 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 Weite 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 Weite 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,
werden Schneidwerkzeugelemente 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. In diesem Falle
ist der Abschnitt 50 Abfall und wird bei jedem Ausstanzvorgang
gebildet. Bei einer anderen Anordnung zum Ausschneiden der Elemente 24, 26 wird
zu jeder 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 Verschlußelement
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
Verschlußelementen 24, 26 nach
der Darstellung in 8 auf.
- 14. 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 Verschlußverhältnis 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 Verschlußvorgang
zwischen den Elementen 24, 26 sein.
- 15. 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 frustriertkonische Konfiguration nach der Darstellung
in den 1 und 2 geformt. Die Thermofixierungspresse 110 weist
einen oberen Pressentisch 112 und einen unteren Pressentisch 114 auf.
Stromquellen 120, 122 liefern Energie zum Beheizen
der Pressentische bis zu der gewünschten
Thermofixierungstemperatur, 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 114 ein
Werkzeugelement mit einer 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
eine 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 frustriertkonische
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 sind. Nach
dem Thermofixierungszyklus. 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 frustriertkoni sche 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 Konfiguration aufweisen. Mithin brauchen diese
Ränder 150, 152 während des
Herstellungsverfahrens nicht zwecks Beseitigung von Oberflächenfehlern
bearbeitet zu werden.
- 16. 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 ist. Diese Kurve wird mit der Strichellinienkurve
des Diagramms verglichen, wobei diese zweite Kurve eine standardmäßig ausgestanzte
kreis-förmige
Tellerfeder darstellt. Wie zu erkennen ist, wirken die zwei Federn,
da die Gesamthöhe
H von 3,3 mm auf 1,1 mm (0,130 Zoll bis 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 Weite 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 Strichellinenkurve in 13 dargestellt
ist.
- 17. In den 14 und 15 ist
nunmehr die mechanische Sprengringwickelvorrichtung 200 derart
modifiziert, daß automatisch
die frustriertkonische Konfiguration ausgebildet wird, wenn der
gehärtete
Federstreifen S gewickelt wird. Der aus der Sprengringwickelvorrichtung 200 austretende
gewickelte Federstreifen S weist eine frustriertkonische Konfiguration
auf, bei welcher der Durchmesser a um einen Betrag, der wesentlich
geringer als die Weite 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 Weise wird die Tellerfeder lediglich durch Zerschneiden
der Windungen in kreisförmige
Konfigurationen hergestellt. Mit diesem Vorgang wird der in den 11 und 12 dargestellte
Thermofixierungsvorgang vermieden. Da es keinen Thermofixierungsvorgang
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 Konfiguration in Richtung
zu der ursprünglichen
Form zurück,
um die gewünschte
frustriertkonische Form der Tellerfeder B' zu schaffen. Die Tellerfeder ist weiterhin
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, thermofixiert usw.
zu werden braucht.
- 18. In den 16–23 nunmehr
weisen freie Enden 210, 212 mit dem oder ohne
den in 10 gezeigten Spalt Verschlußstrukturen
mit zusammengreifenden Verschlußelementen
oder Schwalbenschwänzen auf.
In 16 umfassen Verschlußelemente 220 ein
Schwalbenschwanzelement 222 auf, das in ein Aussparungselement 224 paßt. In ähnlicher
Weise werden in 17 Verschlußmittel 230 mit Elementen 232, 234 verwendet,
und 18 zeigt ein schwalbenschwanzförmiges Verschlußmittel 240 mit
Elementen 242, 244. In 19 umfaßt das Verschlußmittel 250 sich
quer erstreckende Verschlußelemente 252, 254 an
den freien Enden 210 bzw. 212. Eine ähnliche
Anordnung mit in Längsrichtung
beabstandeten Schwalbenschwänzen
ist als Verschlußmittel 260 mit
Elementen 262, 264 in 20 gezeigt.
Die 21–23 bein halten
jeweils Verschlußmittel 270, 280, 290 mit
Verschlußelementen 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 Verschlußmittel sind ständig miteinander
befestigt oder werden als lediglich verschlossene Elemente verwendet.
Die Tellerfeder hält
im allgemeinen die Eingriffsbeziehung zwischen den Verschlußmitteln
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.
- 19. 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 Energieversorgung 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.
- 20. 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
Verschlußelemente
oder die in 16 dargestellten schwalbenschwanzförmigen Elemente
bevorzugt. Die Verschlußmittel
halten die freien Enden ohne nachfolgende Bearbeitung wie das Verschweißen oder
das Verkleben der Verschlußmittel
zusammen.
- 21. Der Streifen S des Beispiels ist Ankaufmaterial mit abgerundeten
Kanten Nr. 1, wobei diese Kanten 150, 152 in 6 gezeigt
sind. Dieser gehärtete
Federstahlstreifen wird in die gewünschten Windungen gewickelt
und derart zerschnitten, daß die
Verschluß-
oder schwalbenschwanzförmigen
Elemente geschaffen werden. Dann wird der Rohling oder Vorformling 100 zusammen
mit den Verschlußelementen
zusammengefügt
und in einem Thermofixierungsvorgang 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 thermofixiert ist, wird die
Härte des
Teils um annähernd
2–5 Punkte
auf der Rockwell-C-Skala vermindert. Beim Ausformen der schwalbenschwanzförmigen oder
Verschlußelemente
kommt die Stanzstation 40 oder die Stanzstation 202 als
hydraulischer Abschluß am
Auslaß einer
standardmäßigen Torin-Wickelvorrichtung
Nummer W 775 hinzu, wobei diese Wickelvorrichtung derart 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 Nocken in der Wickelvorrichtung verwendet. Es
könnten
auch andere Federwickelvorrichtungen zum Wickeln des flachen Vorformlings 100 nach
der Darstellung in 9 oder für die frustriertkonischen Wicklungen
C' nach der Darstellung
in 14 verwendet werden.
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