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Biegungsfeder Die Erfindung betrifft eine Biegungsfeder, deren beide
Enden eingespannt sind.
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Wenn bei einer Spiralfeder das äußere Ende gelenkig befestigt wird,
so daß an diesem Ende nur eine reine Zugkraft ausgeübt werden kann, so liegt der
gefährliche Querschnitt in der äußersten Windung dem Angriffspunkt der Zugkraft
gegenüber. Das Biegungsmoment ist in jedem Querschnitt der Feder ein anderes. Es
wächst von Null bis auf einen Höchstwert, der gleich ist der Zugkraft mal dem Abstand
zwischen dem Angriffspunkt der Zugkraft und der diesem Angriffspunkt gegenüberliegenden
Stelle der äußersten Windung. Die ungleichmäßige Beanspruchung der Feder ist nachteilig,
weil sich das Arbeitsvermögen des Federwerkstoffes nicht ausnutzen läßt.
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Auch wenn man die Feder an beiden Enden einspannt, wird die ungleichmäßige
Beanspruchung über die ganze Länge der Feder noch nicht ganz vermieden. Die Ungleichmäßigkeit
in der Beanspruchung, die noch verbleibt, wird hervorgerufen durch eine an den Einspannstellen
entstehende Reaktionskraft, hervorgerufen durch die mit gleichbleibendem Abstand
um die Achse der Feder durchgeführte Bewegung des äußeren Federendes.
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Die Erfindung bezweckt, den bestehenden Nachteil zu beseitigen. Dies
wird dadurch erreicht, daß einem oder beiden Enden der Feder und den Einspannteilen
beim Spannen eine Bewegung ermöglicht wird, die der elastischen Verformung, hervorgerufen
durch ein über die ganze Federlänge gleichbleibendes Biegungsmoment, das an den
Federenden durch die Einspannung eingeleitet wird, entspricht. Durch die Erfindung
wird die an den Einspannstellen bisher auftretende Reaktionskraft vermieden, so
daß also nur die von den Federenden her in die Feder eingeleiteten reinen Einspannmomente
wirksam sind. In der Zeichnung sind
zwei Ausführungsformen der Erfindung
beispielsweise dargestellt.
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Abb. i zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch eine Spiralfeder
mit ihrer Spannvorrichtung.
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Abb. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie 11-II der Abb. i. In Abb.
2 ist der senkrechte Längsschnitt nach Abb. i durch die Linie I-I angedeutet.
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Abb. 3 zeigt schematisch den Verlauf einer Spiralfeder im ungespannten
und gespannten Zustand. Abb. 4 zeigt eine Anlaßvorrichtung, insbesondere für schlitzgesteuerte
Zweitaktdieselmaschinen, die mit Hilfe einer Spiralfeder arbeitet, im senkrechten
Längsschnitt.
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Abb. 5 zeigt einen Schnitt nach der Linie V-V der Abb. 4. In Abb.
5 ist der senkrechte Längsschnitt nach Abb. 4 durch die Linie IV-IV angedeutet.
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Die Spiralfeder a nach den Abb. i und 2 ist eine Biegungsfeder. Sie
ist mit ihrem inneren Ende b an einer Nabe c befestigt. Diese Nabe sitzt auf einer
Welle d. Die Befestigung des inneren Endes b der Spiralfeder a kommt einer Einspannung
des inneren Endes b gleich, und zwar dadurch, daß sich das innere Ende
b gegen die Nabe c in den Punkten f abstützt, die die Endpunkte der
Einspannung darstellen. Eine Kappe e verhindert das Aushängen der Spiralfeder. Zwischen
den Stützpunkten f der Nabe c ist diese so ausgenommen, daß das innere Ende b der
Spiralfeder a nicht an der Nabe c anliegt, sondern nur ein Aufliegen in den Punkten
f erfolgt und als Einspannwirkung ein Kräftepaar entsteht, dessen Einzelkräfte durch
eine entsprechende Entfernung der Punkte f möglichst weit voneinander entfernt liegen,
damit die Kräfte nicht zu groß werden. Das äußere Ende g der Spiralfeder
a ist in einem Gehäuse h befestigt, welches verschiebbar mit einer
Glocke i in Verbindung steht, die auf der Nabe c gelagert ist. Die Glocke
i hat einen Zahnkranz k, in den ein auf einer Welle l sitzendes Ritzel
m eingreift. Das Gehäuse h ist mit schiebbaren Zapfen n in einem Ring
o gehalten, der seinerseits mit schiebbaren Zapfen p in der Glocke i gehalten
ist. Die Befestigung des äußeren Endes der Spiralfeder a kommt ebenfalls einer Einspannung
gleich, bei der die Abstützpunkte voneinander weit entfernt liegen. Das äußere Ende
g der Spiralfeder a stützt sich dabei an der Stelle q gegen das Gehäuse
h und gegen eine Konsole r des Gehäuses h ab. Eine Konsole
s des Gehäusesh verhindert, daß die Spiralfeder a aus der Öffnung t des Gehäuses
h herausrutscht. Zum Spannen der Spiralfeder a wird mit Hilfe der Welle
l und des Ritzels m
und des Zahnkranzes k die Glocke i in der in Abb.
2 eingezeichneten Pfeilrichtung gedreht. Durch die verschiebbare Führung des Gehäuses
h können sich das äußere Federende und dessen Einspannteile außer der Verdrehung,
die sie bei der Spannbewegung erfahren, in der Federebene nach jeder Richtung verschieben,
jedoch nicht zusätzlich um sich selbst verdrehen. Es wird also dem äußeren Federende
g eine Bewegung ermöglicht, die der elastischen Verformung, hervorgerufen durch
ein über die ganze Federlänge gleichbleibendes Biegungsmoment, das an den Federenden
durch die Einspannung eingeleitet wird, entspricht.
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Der Bewegungsvorgang einer Spiralfeder, deren äußeres Enee beim Spannen
bewegt wird, ist in Abb. 3 dargestellt. Die Spiralfeder ist durch eine einfache
Linie u im ungespannten Zustand angedeutet. Der gespannte Zustand der Spiralfeder
wird durch die gestrichelt gezeichnete Linie v vermittelt. Das äußere Ende der Spiralfeder
ist mit w bezeichnet. Der Spannungswinkel der Spiralfeder ist mit 18o' angenommen.
Das äußere Ende w der Spiralfeder wird also beim Spannen um einen Winkel von 18o'
verdreht. Da die elastische Verformung der Spiralfeder lediglich unter dem Einfluß
der von ihren beiden eingespannten Enden her in sie eingeleiteten reinen Biegungsmomente
.erfolgt, bewegt sich das Ende w der Spiralfeder beim Spannen auf der strichpunktiert
eingezeichneten Bahn x. Diese Bahn verläuft spiralförmig, so daß sich das Ende w
der Mittelachse y der Spirale um den Betrag x nähert.
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Die verschiebbare Führung der Enden der Spiralfeder mit den Einspannteilen
kann natürlich auch auf jede andere Weise erfolgen, z. B. durch Parallelführungen
o. dgl. Die bei der Schiebebewegung auftretende störende Reibung kann durch Rollenführungen
o.dgl. vermieden werden. Es kann z. B. auch beim dargestellten Beispiel nach den
Abb. i und 2 das Federgehäuse h gespart werden, wenn das äußere Ende der Feder am
Ring o in geeigneter Richtung schiebbar ist.
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Um die praktisch nicht ohne größeren Aufwand durchführbare verschiebbare
Befestigung des äußeren Endes der Spiralfeder in der Spannvorrichtung zu vermeiden,
kann auch eine zwangsläufige Führung desselben durchgeführt werden. Die zwangsläufige
Führung muß jedoch so sein, daß das äußere Federende beim Spannen der Spiralfeder
eine Bewegung macht, die in möglichst angenäherter Weise der Bewegung entspricht,
die das Federende machen würde, wenn es verschiebbar geführt wäre. Im Endpunkt der
Anspannung muß jedoch die Lage des äußeren Endes der Feder der elastischen Verformung,
hervorgerufen durch ein über die ganze Federlänge gleichbleibendes Biegungsmoment,
das an den Federenden durch die Einspannung eingeleitet wird, genau entsprechen,
weil im Endzustand der Anspannung die größte Beanspruchung der Feder eintritt.
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Bei einer Spiralfeder, deren inneres Ende an einer Welle und deren
äußeres Ende in einem die Welle umgebenden drehbaren Gehäuse eingespannt ist, kann
die zwangsläufige Führung des äußeren Federendes vorteilhaft dadurch geschehen,
daß das Gehäuse auf einem auf der Welle sitzenden Exzenter gelagert ist und im ungespannten
oder vorgespannten Zustand der Feder eine Stellung einnimmt, in der das äußere Ende
der Feder einen größeren Abstand von der Mittelachse der Welle hat als im gespannten
Zustand der Feder. Eine solche Ausführungsform der Anordnung der Spiralfeder ist
bei der in den Abb. 4 und 5 dargestellten Anlaßvorrichtung für schlitzgesteuerte
Zweitaktdieselmaschinen gewählt worden.
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Die schlitzgesteuerte Zweitaktdieselmaschine nach den Abb. 4 und 5
hat ein Schwungrad i, das auf dem Ende der Kurbelwelle 2 sitzt. Die Kurbelwelle
2 ist von einer Spiralfeder 3 umgeben, die zwischen dem Schwungrad i und der Stirnwand
4 des Gehäuses der Maschine liegt. Die Spiralfeder 3 wird entgegen der Betriebsdrehrichtung
der Maschine von einem eurch
eine Batterie gespeisten (@:--,ktrischen
Anlaßmotor 5 gespannt. Sie ist mit ih:v.a inneren Ende 6 an einer die Kurbelwelle
2 umgebenden und mit dem Gehäuse der Maschine verbundenen Nabe 7 befestigt. Auf
der Nabe 7 sitzen Exzenter 48, auf denen drehbar ein die Spiralfeder 3 einschließendes
Gehäuse 8 lagert, in dem das äußere Ende 9 der Spiralfeder 3 angreift. Es ist ein
Zahnkranz io vorgesehen, der entgegen der Betriebsdrehrichtung der Maschine vom
elektrischen Anlaßmotor 5 über ein Untersetzungsgetriebe ii angetrieben wird. Der
Zahnkranz io ist in der Schwungradglocke 12 des Gehäuses der Maschine gelagert und
umgibt das Federgehäuse 8 mit Abstand. Das Schwungrad i ist an seiner dem Zahnkranz
io und dem Federgehäuse 8 zugewandten Seite mit zwei Klinken ausgerüstet, von denen
die eine 13 entgegen der Betriebsdrehrichtung der Maschine mit einer an der Innenseite
14 des Zahnkranzes io vorgesehenen Kerbe 15 und die andere 16 ebenfalls entgegen
der Betriebsdrehrichtung der Maschine mit einer Kerbe 17 des Federgehäuses 8 zum
Eingriff kommt.
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Die mit der Kerbe 15 des Zahnkranzes io zum Eingriff kommende Klinke
13 ist durch eine Feder 18 im Einrücksinne belastet und über ihren Drehpunkt
verlängert, wobei diese Verlängerung i9 als Fliehgewicht ausgebildet ist. 20 und
21 sind Stifte, gegen die sich die Klinke 13 bzw. ihr Fliehgewicht i9 und
die Klinke 16 in ihrer Ruhestellung anlegen. Vor der mit der Klinke 13 zusammen
arbeitenden Kerbe 15 des Zahnkranzes io ist in demselben eine kurze Kurvenbahn 22
angebracht, durch die erreicht wird, daß die Klinke 13,
wenn sie z. B. bei
auslaufender Maschine mit der Innenseite 14 des Zahnkranzes io in Berührung kommt,
über die Kerbe 15 hinüberhüpft.
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Die Vorrichtung weist ein Mittel auf, welches es gestattet, die Maschine
in Abhängigkeit von ihrem Wärmestand mit einer kleineren oder größeren Spannung
der Spiralfeder 3 anzulassen. Im kalten Zustand der Maschine wird die Spiralfeder
3 mehr angespannt als im warmen Zustand. Man hat es also in der Hand, die Leistung
der Anlaßeinrichtung der wirklich erforderlichen Anlaßleistung anzupassen. Die Spiralfeder
3 wird nicht stärker gespannt, als es unbedingt notwendig ist. Die Lebensdauer der
Spiralfeder 3 wird dadurch beträchtlich verlängert.
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Das Mittel, das es gestattet, die Spiralfeder 3 in Abhängigkeit vom
Wärmezustand der Maschine mit einer kleineren oder größeren Spannung zur Wirkung
zu bringen, ist ein Anschlag 23, der zum Ausrücken der Klinke 13 vorgesehen ist.
Der Anschlag 23 ist verstellbar. Er ist an einem Ring 24 befestigt, der durch einen
der Einfachheit halber nicht dargestellten Hebel o.dgl. verdreht werden kann. Der
Ring 24 liegt neben dem Zahnkranz io und ist wie dieser in der Schwungradglocke
12 gelagert und dient gleichzeitig zur Sicherung der Seitenlage des Zahnkranzes
io. Die mit dem Zahnkranz io zusammen arbeitende Klinke 13 wird nach einem gewissen
Verdrehungswinkel, der durch den Anschlag 23 bestimmt wird, außer Eingriff gebracht.
Dabei stößt ein an der Klinke 13 vorhandener Ansatz 25 gegen den Anschlag 23 und
rückt die Klinke 13 aus.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Zum Anlassen der schlitzgesteuerten
Zweitaktdiesel-' maschine setzt z. B. der Wagenführer den elektrischen Anlaßmotor
5 in Gang. Derselbe treibt dann über das Untersetzurigsgetriebe ii, welches mit
dem Zahnkranz io dauernd in Eingriff steht, den Zahnkranz io entgegen der Betriebsdrehrichtung
der Maschine an. Bei der Bewegung des Zahnkranzes io kommt die Klinke 13 mit der
Kerbe 15 zum Eingriff, so daß das Schwungrad i und damit die Maschine entgegengesetzt
zu ihrer Betriebsdrehrichtung gedreht werden. Im Verlauf der Drehung kommt auch
die Klinke 16 mit der Kerbe 17 des Federgehäuses 8 zum Eingriff, so daß das Federgehäuse
8 ebenfalls entgegen der Betriebsdrehrichtung der Maschine gedreht wird. Dabei spannt
sich die im Innern des Federgehäuses 8 befindliche Spiralfeder 3. Nach einem durch
den Anschlag 23 bestimmten Verdrehungswinkel wird die Klinke 13 durch den Anschlag
23 mit dem Zahnkranz io außer Eingriff gebracht. In diesem Augenblick hat die Spiralfeder
3 die Möglichkeit, sich plötzlich zu entspannen. Sie tut das, indem sie über die
Klinke 16 das Schwungrad i und damit die Maschine in deren Betriebsdrehrichtung
unter Abgabe eines großen Drehmoments augenblicklich stark beschleunigt und in kurzer
Zeit auf eine hohe Drehzahl bringt. Auf diese Weise springt die Maschine mit Sicherheit
an. Sobald die Maschine angesprungen ist und ihre Betriebsdrehzahl aufnimmt, werden
die Klinken 13 und 16 durch die auf sie wirkende Fliehkraft aus ihren Eingriffsstellungen
gebracht. Die Maschine kann sich dann unbeeinflußt durch die Anlaßvorrichtung frei
drehen.
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Das äußere Ende 9 und das innere Ende 6 der Spiralfeder 3 sind eingespannt.
Das innere Ende 6 der Spiralfeder 3 wird gehalten durch eine Kappe 43 und stützt
sich an den Stellen der Nabe 7, die mit 44 bezeichnet sind, ab. Das äußere Ende
9 der Spiralfeder 3 ist durch einen Vorsprung 45 des Federgehäuses 8 gehalten und
stützt sich in der Nähe des Vorsprunges 45 an der Stelle 47 gegen das Federgehäuse
8 und gegen einen Vorsprung 46 des Federgehäuses 8 ab. Die Entfernung der Abstützstellen
an den einzelnen Enden der Spiralfeder 3 sind so groß gewählt, daß die Kräfte des
auf die Enden der Spiralfeder 3 wirkenden Kräftepaares nicht zu groß werden. Bei
der Formgebung der Nabe 7 und des Federgehäuses 8 ist dafür Sorge getragen, daß
zwischen den Abstützstellen an den einzelnen Enden der Spiralfeder 3 kein Aufliegen
der Spiralfeder 3 stattfindet. Das äußere Ende 9 der Spiralfeder 3 ist so im Gehäuse
8 befestigt, daß es im ungespannten oder vorgespannten Zustand der Spiralfeder einen
größeren Abstand von der Mittelachse der Nabe 7 hat als im gespannten Zustand der
Spiralfeder. Wenn sich also bei der Anspannung der Spiralfeder das Gehäuse 8 dreht,
wird der Abstand des äußeren Endes 9 der Spiralfeder von der Mittelachse der Nabe
7 dadurch, daß das Gehäuse 8 auf den Exzentern 48 gelagert ist, allmählich vermindert.
Das äußere Ende 9 der Spiralfeder bewegt sich dabei auf einer Kreisbahn, die der
Bewegung des äußeren Endes 9 der Spiralfeder, die dieses machen würde, wenn es,
wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Abb. i und 2, beweglich wäre, angenähert
entspricht. Die Bewegung, die das äußere Ende 9 der Feder bei dem Ausführungsbeispiel
nach den Abb. i und 2 macht, ist in Abb. 3 durch die
strichpunktierte
Linie x angedeutet. Die Bewegung, die das äußere Ende 9 der Spiralfeder beim Ausführungsbeispiel
nach den Abb. ¢ und 5 mächt, ist in Abb. 3 durch die ausgezogen gezeichnete Linie
x1 angedeutet. Diese ist ein Kreisbogen, der um die Mitte y1 des Exzenters gezogen
ist. Es ist aus der Abb. 3 deutlich zu erkennen, daß die beiden Linien x und x1
angenähert in derselben Weise verlaufen. Die Anordnung der Exzenter 48 des Gehäuses
8 und der Befestigung des äußeren Endes 9 der Spiralfeder im Gehäuse 8 sind so getroffen,
daß die Lage des äußeren Endes der Spiralfeder im angespannten Zustand der Feder
der elastischen Verformung, hervorgerufen durch ein über die ganze Federlänge gleichbleibendes
Biegungsmoment, das an den Federenden durch die Einspannung eingeleitet wird, genau
entspricht. Die Endpunkte der beiden Linien x und x1 in Abb. 3 fallen daher im angespannten
Zustand der Spiralfeder zusammen. Die in den Abb. 4 und 5 dargestellte Vorrichtung
ist vorzugsweise geeignet für Spannungswinkel bis 18o'.
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Die Ausführungsbeispiele nach den Abb. i bis 5 behandeln Spiralfedern,
bei denen beim Spannen das äußere Ende bewegt wird. Die Erfindung ist nicht auf
solche Spiralfedern beschränkt. Sie ist sinngemäß auch bei Spiralfedern anwendbar,
bei denen das innere Ende oder das innere und das äußere Ende beweglich sind. Darüber
hinaus kann die Erfindung in vorteilhafter Weise bei allen Arten von Biegungsfedern
angewandt werden.
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Durch die Erfindung wird die Reaktionskraft an den Einspannstellen
vermieden. Es kommt daher für die Berechnung der Feder nur mehr das Moment an den
Einspannstellen in Betracht und dieses gilt für alle Federquerschnitte über die
ganze Länge der Feder als Biegungsmoment.