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In einem Hohlkörper um eine Drehachse gelagerte Drehfeder, insbesondere
für die Federung von Fahrzeugen
aus Drehstäben, Spiralfedern und Federblättern, die innerhalb von
Gruppen und Stufen nacheinander progressiv wirkend an der Last angreifen.
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1)ie in einem Hohlkörper um eine Drehachse gelagerte Drehfeder nach
der Erfindung dagegen weist bei kleinstem Volumen und bei kürzester Baulänge ein
erhöhtes Arbeitsvermögen auf, das durch abrollendes Verkürzen der freien Federlänge
und dabei sich selbsttätig verstärkenden Federquerschnitt bewirkt ist. Damit erzeugt
die Drehfederung nach der Erfindung eine stufenlos progressiv erhöhte Widerstandskraft
bei annähernd gleicher Spannungsbeanspruchung und besonders hoher Eigendämpfung.
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Es sind auch Spiralfedern mit abnehmendem Querschnitt hergestellt
worden; diese sind jedoch, wenn sie für die Abfederung voll hohen Lasten allgewendet
werden, nicht brauchbar, da sie nur in der Zugbeanspruchungsrichtung eingebaut sind.
Andere Ausführungen benutzen elastische, z. 13. Gummizwischenlagen in den
Spirahimgängen, tiin eine höhere Tragkraft zu erreichen. Es sind auch Mittel angegeben
worden, um die Eigenscliwingtingszalil federnder Systeme zu ändern; diese erfolgen
alle von Hand unter der Verwendung besonderer Glieder. Beim Gegenstand der I:rfiridung
erfolgt die sich den Betriebsverhältnisseli anpassende Änderung der Eigenschwingungszahl
fortlaufend selbsttätig durch die Form der Feder und ohne Verwendung von Koppelgliedern.
SchädlicheU'1>erlastungs-und Resonanzbereiche, die statische und dynamische s,y«-ie
akustische Störungen und damit Schäden verursachen können, vermeidet die Anordnung
nach der Erfindung selbsttätig.
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:lucli silui stirnbelastete Hülsenfederringe, die zwischen zwei parallelen
Führungen (riligf<ii-iiiigen \uten) liegen und sich beim verdrehenden Belasten
wellenförmig an die \utenwiinde anlegen, bekannt. Hierbei ist aber der Verdreliwinkel
viel geringer als beim Erfindungsgegenstand; gleichfalls ist die Eigendämpfung viel
niedriger.
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Zur Dämpfung der Schwingungen der bekannten Abfederungen und ihrer
Systeme gegenüber der Dreieckforinab"välzfeder nach der Erfindung sind mehr oder
weniger große Dämpfungseinrichtungen erforderlich, die hei dem Gegenstand nach der
Erfindung, wenn sie nicht überhaupt weggelassen werden, einfacher und volumlnä ßig
kleiner attszuführen sind.
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Die gewundene Dreieckformabwälzfeder nach der Erfindung unterscheidet
sich von bekannten Federn dadurch, d41 sie bei der jeweiligen Belastung stets den
zur Federung benötigten größeren oder kleineren Federwerkstoffquerschnitt stufenlos
und selbsttätig für die gerade stattfindende -Auslastung einstellt. Bei steigender
Belastung wird durch dieAnordnung nach der Erfindung der jeweils ausgeschaltete
Federquerschnitt auf Druck oder Zug beansprucht, während der zur verstärkten Federungskraft
leerangezogene Federquerschnitt der gewundenen Dreieckforniahwälzfeder weiter auf
Biegung beansprucht wird. Die Durchfederung des Lenkers oder Hebelarmes wird demzufolge
bei steigender Belastung progressiv geringer,und sie ist anschlagslos liceiidet,
wenn die Feder nach der Erfindung an der I lolill;örl>erinnenwand ihrer ganzen Länge
nach anliegt, wobei der die Feder umschließende 1lohlki>rper infolge seill(1i-Gürtelwirkung
keine weitere @'1>erl>clastung der 1)releckforinabN5-älzfedei- zulülat. In diesem
1?ndbelastungszustand ist <las st;ii-I;ste Liederende, ani Widerlager der Drehachse,
auf kleinste Länge durch Knickung beansprucht. Die Endkraft kann ein Vielfaches
der geforderten Federkraft nebst seiner Stoßzusclil;ige betragen. ÜI>erlastun(fsanschlä
ge, Sicheruligsvorrichtun,gen, Fangbügel und dergleichen zusätzliche Teile wenden
eingespart, weil die 1)reieckformalnvälzfeder gemäß der Aliordnung nach der Erfindung
deren Aufgaben selbsttätig übernimmt.
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Die Dreieckformabwälzfeder nach der Erfindung besteht in gestrecktem
Zustand aus einer ein wesentlichen dreieckförinigen Federstalilplatte, die von ihrer
breitesten Grundseite, vom Drehn]ittelpunkt aus, spiralförmig "u\\-ickelt ist. Der
Quersc1initt der Grundseite des Dreiecks kann beispielsweise der größte bzw. der
wirksamste Querschnitt sein. In diesem Fall f'illt von der Grundseite aus der Querschnitt
der Feder stetig geradlinig oder kurvenförmig ab, bis die Begrenzungslinien der
ini wesentlichen dreieckigen Forni sich in einem Punkt treffen, der die theoretische
L;inge vier Federabwicklung begrenzt. Um Punktpressung zu vermeiden, ist die Dreieckspetze
abgeflacht ausgeführt.
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Zwecks stufenloser Kraftabgabe ist die Dreieckformal>wälzfeder beispielsweise
in einem rohrförmigen Hohlkörper uni eine Drehachse gelagert, deren Drehmittelpunkt
finit dein der Dreieckforinal>wälzfeclerspirale zusaniinclif:illt. Der äußere 13egrenzungspunkt,
das ist die Spitze des Dreieckes, ist finit dein die Feder ums@@hliellenden Hohlkörper,
beispielsweise lnit eillein ill dieseln l>efilldliclicil Widerlager, lösbar verbunden.
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Die Betätigung der @reiecl:forma@nvä@zfederspirale erfolgt von der
Mittelachse aus über eilte Drehachse mit radial oder tangential an dieser angeordnetem
Widerlagerniitiielinier.
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Durch die Drelil>ewegutig cler Drehachse wird die Dreieckformabwälzfederspirale,
federnden Widerstand leistend, mit ihrer schwächsten Spitze gegen das Widerlager
im Hohlkörper gedrückt, wodurch voll dieser Spitze aus die Spirale, all der HohlkörperiiinenNvail,d
abrollend, nach aulieii aufgewickelt wird. Durch das selbsttätig zunehmende Anlegen
des äußeren Dreieckforinabwälzfederspiralinantels all die diese umschließende 1-lohlkörperinnenNvand
verkürzt sich, von der Spitze der Feder aus angefangeil, die wirksame Federlänge
selbsttätig und läLit ansteigend oder abfallend den jeweils vergrößerten oder veränderten
C)tierschnitt der hecler sell>stt<itig wirksam werden.
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Der Querschnitt der Hohlkörperinnenwand kann kreisrund oder auch kurvenförmig
ausgebildet seil]. Zwecks ebener Anlage der I)reieckf<irnial>tvälzfeder all die
Innenwandung oder clen .-\1>wiilzniantel kann die Fläche der Feder l;ings, parallel,
sclii-:i", oder auch kurvenförmig tistv. aufgeschnitten seih, wodurch
eine
Flächenpressung, beispielsweise bei breiteren und dickeren Federklingen, an der
Wandung bewirkt wird, die für die weiter unten beschriebene Wirkung der durch den
Gegenstand der Erfindung hervorgebrachten zusätzlichen relativen 1laftreihungsdämpfung
unerläßlich ist und eine qualitative 0herflächenbearbeitung des Spiralfederinantels
einspart.
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I)eii einzelnen Belastungsfällen entsprechend kann die Dreieckforniabwälzfeder
in ihrer gestreckten Forin vor (lern Aufwickeln zur Spirale beispielsweise als im
wesentlichen einfache Dreieckfeder nach :\1>b. t und 2, als Schildforinfeder nach
Abb. 3, als \lalteserkreuzschenkelfeder nach Abb. 4 oder als Sonderformfeder nach
Abb. 5 und 5 a und ähnlich ausgebildet werden. Der Zuschnitt des Federblattes kann
auch recht- oder schiefwinklig zur Grundseite ausgeführt werden, sofern schraubenförmig
statt spiralig gewickelt werden soll, weil hierdurch einerseits kleinere Haudurchmesser
und anderseits größere @"er(lrehwinkel erreicht werden können. Ialenso kann die
Feder auch als gleichbreites Federhand ausgebildet werden, wobei dessen Blattdicke
stetig oller beliebig abnehmen kann (.11b.5 a).
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1)er die Dreieckforinallwä lzfeder umschließende llolill:iirllei-,
beispielsweise ein Rohr, kann auch zu der Feder gehörig betrachtet werden, so daß
am Fahrzeug- ()der Maschinenteil ti. (1g1. mir Bohrungen oder Paßliicller nebst
einer Feststellvorrichtung für die einzuschiebende Federeinheit vorgesehen sein
müssen, oller (nie Feder mit Drehachse wird ohne Mantelrohr in vorgesehenen 13ohrtingen
gelagert, wobei nur ein Widerlager rin elftsprechender Stelle vorzusehen ist.
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Es erniiigliclieii sich demzufolge neue Wege einfacherer Abfederung,
insbesondere von Radaufhängttilgen, die scllwingungs-, schall- und stoßdämpfend
(furch Einbauen iii isolierende, nicht metallische Stoffe (>der unter Zwischenschaltung
solcher Stoffe bewirkt werden.
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1)ie gewundene 1)i-eieckfornial»viilzfecler kann in einem Federsystein
hach beiden Drehrichtungen hin wirkend ausgeführt werden, und zwar einmal dadurch,
dal3 (nie Dreieckforinabwä lzfederenden eingespannt befestigt werden, und andererseits
dadurch, dal3 zwei Dreieckforinabwä lzfedern gemäß der Erfindung nebeneinander.
jedoch mit entgegeilgesetzter Spiral- oller Scliraubwindungsrichtuag eingebaut werden.
Hierbei kiiiiiien die Federn auch untereinander verschiedene Allmessungen haben.
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Die Ausbildung der Abfederung nach der Erfindung ist in den Abbildungen
dargestellt.
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Abb. i zeigt das einfache, ini wesentlichen Dreieckform atif\veiseiide
Federblatt in gestrecktem Zustand; :11i11. = stellt die gleiche Feder mit Längsschlitzen
dar; _1111>. 3 zeigt eine Schildformfeder; 1111. 4 zeigt eine F eder finit Malteserkreuzschenkelforin:
:\1i11. 3 stellt eine Sonderform mit Kurven- und Schrägschlitzen (bar; :11111. 3
a zeigt eine Feder in Form eines gleichbreiten Stahlbandes nebst einer gewählten
Querschnittsform; A11. 6 zeigt einen Querschnitt durch die gewundene Dreieckformabwälzfeder
in Verbindung mit der eingeschlossenen Drehachse und dem die Feder umschließenden
Hohlkörper mit Widerlagern; Abb. 7 stellt als Ausführungsbeispiel eine Fahrzeugradaufhängung
dar, die Einfachheit der Anordnung für Lauf-, Lenk- und Treibachsen darstellend;
A11. 8 zeigt den beispielsweisen Einbau zweier nebeneinander angeordneter Dreieckformabwälzfedern,
nach beiden Drehrichtungen hin wirkend, insbesondere als Drehfedergelenk für Wellenkupplungen
tisw.; Abb.9 zeigt eine sternförmige -'#nordliutig von sechs Federaggregaten um
einen gemeinsamen Drehzapfen, nach beiden Richtungen hin wirkend, beispielsweise
eine elastische Kupplung darstellend; A11. to zeigt einen Querschnitt durch (las
Federsystem in vollbelastetem Zustand; Abb. i i ist ein Querschnitt durch das Federsystem
in unbelastetem Zustand, bei o eine Kurvenform zum radialen Ausweichen des Federendes
am Widerlager 11 zeigend; :\l11. 12 stellt im Querschnitt gezeichnet
ein Ausführungsbeispiel der ein- und verstellbaren Abvv:ilzbahn dar; :11111. 13
stellt eine schematische der Beriilirtingsl)unkte von Federhaut und Abwälzmantel
dar, die steigende Keilwirkung zur Erzeugullg der hohen Dämpfung erläuternd; Abrb.
14 ist ein Ausschnitt in vergr<ißerter Darstellung zur Erläuterung der Relativbewegung
der gereckten bzw. der gestauchten Teilabschnitte an der :\llwiilzliaut der Feder
gegenüber einem Punkt der Almälzbahn am umschließenden Hohlkörper.
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Das :\tisführungsbeispiel einer Allfederung, insbesondere für ein
an einem Lenker aufgehängtes Rad iiacli _\111.7, wird wie folgt beschrieben: Die
Dreieckforniabwälzfeder a bestellt aus einem im wesentlichen dreieckförmigen Federblatt
nach Abt. i bis 5, (las von seiner Grundseite b von der Mitte c aus in Form einer
Spirale aufgewunden ist. Die äußere Abflachung d des gewundenen Federblattes
a kommt an (lern \Viderlager e, welches 111 denn Hohlkörper f angeordnet
ist, zur Anlage. Die Grundseite oder (las Federende b der Dreieckforniabwälzfeder
a kommt an dein Mitnehmer oder \Viderlager li der Drehachse g zur Anlage. Die nach
hinten geneigte Anlage o des an der Drehachse g angeordneten Widerlagers le kann
gerade oder kurvenförmig ausgebildet sein. Die Drehachse g ist in Lagern
i im Hohlkörper f drehbeweglich gelagert. Der Hebel oder Lenker k
dient zur Übertragung des Lastmomentes auf die Dreieckforinabwä lzfeder a und trägt
an seinem äußeren Ende <las Rad 1.
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Die Wirkungsweise für das Ausführungsbeispiel nach :\1111.7 wird wie
folgt beschrieben: Wirkt beispielsweise ein von der Fahrbahn kommender Stob auf
das Rad 1, so wird die Aufwärtsbewegung des Rades 1 übler den Hellen oder
Lenker k
auf die Drehachse g als Drehbewegung übertragen. Das an
der Drehachse g angeordnete Widerlager (Mitnehiner) 1a stützt sich bei o gegen die
Grundseite b der Dreieckforinabwälzfeder a, die finit ihrer verjüngt
zulaufenden Fläche c1 an dem Widerlager e im Hohlkörper f einen federnden Widerstand
erfährt. Hierbei wird die Dreieckformabwälzfederspirale a aufgebogen und rollt sich
bei weiter steigender Belastung mit ihrer Außenfläche 11b, von der Stelle des geringsten
Widerstandes an der Spitze, der Fläche d, aus angefangen, an der Innenwatidutin
des Hohlkörpers f ab. je höher die Belastung ansteigt, desto mehr Federlänge zunehmenden
Querschnittes legt sich am unischließenden Hohlkörper f an und schaltet damit den
am fIohlköi-per f jeweils anliegenden schwächeren Federblatteil aus dem eigentlichen
Biegefederungsprozel.l aus; dieser ausgeschaltete, auf Druck (Zug) beanspruchte
Federblatteil geht, von der Federspitze d aus angefangen, in den Dämpfungsprozeß,
der in dem nachbeschriebenen relativen Anpressungshaftdruck seine Wirkung hat, über.
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Zur weiteren Federung wird der jeweils ansteigende bzw. wieder abfallende
Federquerschnitt, wvie er durch die Grundform der gewickelten Feder bedingt ist,
selbsttätig auf Biegungsbeanspruchung lierangezogeti. Wenn nahezu der ganze Spiralmantel
r11 seiner Länge nach innett ain Hohlkörper f
bei ;b anliegt, ist stufenlos
und allmählich, ohne spürbaren ,Anschlag, eine Endstellung der Federung erreicht.
Der Federwerkstoff der am Hohlkörper f innen bei )t. anliegenden Feder wird in dieser
Stellung auf Druck beansprucht, während das stärkste Federende b, welches die Abstfitzverbindung
zur Drehachse g aufrechterhält, sofern dieses ohne Anlage ist, auf Knickung, bei
;Anlage an der Innenwand des llohlkörpers f auch auf Druck beaiisprucht ist.
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Dieses Knickungsverhältnis bzw. die Knicklänge erfährt durch eine
zweckentsprechende Formgebung der =Anlage o des Widerlagers lt eine weitere
gtinstige Beeinflussung dadurch, daß das Federende 1) radial nach außen ausweicht.
Hierdurch wird der 1)urchfederungswinkel noch tun einen Betrag vergrößert. Beine
Zurückfedern Helft sich die Federst» rate a selbsttätig, dem Entlastungsverlt'iltiiis
entsprechend ein wenig verzögert, ,-o11 der I lohlkö rpcrinitenwand ii wieder ab.
Diese Verzögerung entspringt dem Anpressungshaftdruck der Feder a an vier llohlkörlferinnenwaii(1
tt und wirkt sich in hohem Maße als Dämpfung aus, so daß ein Nachschwingen der Feder
a finit seinem Lenker 1,1, ausgeschlossen ist.
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I)ie \\ erkstoffausnutzung der gewundenen Dreieckforinabwälzfeder
beträgt ein Vielfaches gegenfber biegungsbeanspruchten üblichen Federn, weil immer
nur der notwendigste Federquerschnitt am Federtttigslfi-ozeß lfeteilii,t ist, wodurch
die Biegutegsst>aniiung i111 beanspruchten Querschnitt des \\'erkstoftes kaum Schwankungen
unterworfen ist und damit schädliche Spainiungsspitzen ini Feder Mattwerkstoff a
verhindert sind. Hierdurch ist die Verwendung nicht hochvergiitbarer \\'urkstoffe
ermöglicht und dennoch Sicherheit für die Feder c1 durch die Gürtelwirkung >les
uiiisclilicl.iendeti Hohlkörpers f gegen Gewaltbrüche ge@ührleistet.
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Die hohe Eigend;impfung des 1@ c<lersvstems gemäß der Vrftndung
leitet sich Wie folgt ab: 1)1c beim herstellungsgem@il.icu Wickeln der 1#ederspiralen
gereckte Außenlasur der heder wird beispIelsweise beim Belasten @@ ieder gestaucht,
gleichzeitig rollt sich die Feder, eilt der Spitze angefangen, auf dem Inneinnatitel
n ab. wodtircli bei steigendemDruck(Zug) tine@c°lativl>e@@ egung gcgcnüber
der Abwälzhaliti und somit der sich herührenden Materialteilchen eintritt. Diese
l1),elativ1fewegung der Berührungsteilchen wirkt sich bei steigender Belastung des
Rades an <Leu Anlageflächen von Federaußenhaut erz und Ilolill«irIwrititietetnatitel
ib selbsthemmend aus. Diese Selbsthenmiung bezüglich der keibungsanlage von Federaußenhaut
und Hohlkörperinnenniantel bewirkt beim Nachlassen der Belastung ein etwas 1:ingeres
Zusammenhaften der beiden Elemente, wodurch der sonst entstehende Rückstoß (lZückscliwiugutig)
infolge Zeitverlängerung aufgeholfen und datnit unwirksam wird. Das Federsystem
gemäß der Erfindung stellt sich somit annähernd in einem Zuge (TIalbschwiiigung)
auf den gerade wirksam sein müssenden Durchfederungswinkel ein, weil beim lZückfederungsvorgang
die gestauchten Faserteilclieii sich der Abwälzfläche gegenüber auch wieder relativ
<lehnen. Diese Dämpfungswirkung ist noch <iadurcli wesentlich verstärkt, daß
der @@@ülzvtfrgang durch den ini Nveserulichen dreieckförneigen Zuschnitt der Feder
nicht proportional dcne:\lnv@ilzweg folgen kaiiii. Bei Cbergäiigeii zu verschiedenen
llelasttingeii ist Weiterhit; ständig ein \\@'echscl tles wirksamen Federquerschnittes
vorhanden und damit wiederum ein progressiver, relativer :\lft@@ilz-Zu,@druck-\\'echscl
ciic Folge, woraus die erJieltliclic l@<iml>futigscigerischatt der I)urchfederungsansscliltige
:ichtlicli feststellbar leergeleitet ist.
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Der @ä nelffungsvt» gang ist gcm@il.l ilen Schema-Zeichnungen Abb.
i3 111i(1 _\111). t d ttcfclt einmal nachfolgend beschrieben: Dur 1'11111<t
i in :11f11. 14 sei ein beliebiger 73crüliruti,@sputil;t z@\-iscltcti Vecler und
Abwälzbahit. 1)1c l c>ler u s"i beispielsweise 1111 Ruhezustand an der :\ltt;;ilzseitc
um die Stt-ccl:c r. die von 1'11111a 3 1111d d l@e##rciizt ist, gereckt.
1111
gleichen kulieztistand ist tlic im Ilogen gemessene htitfernting voll
Punkt i bis I'tiiil<t _ \1a1.1 h. gleich der im lictgerienusseiipu haitfcrnnng
VOii 1'ttnkt i 1» s funkt 2 -- 11a1.1 cl. 1'c°iin Wandern in der Pfeilrichtung
1 cgt sich 1 '11111 :t 3 dei- Ue<ler auf Punkt 2 der :\lfw<ilzltahu.
l>ie Strecke r' ist nun aus dem 13iegcfcderutisltnfzcl.i ausgeschaltet. Beine Weiterbelasten
staucht sich clie :\lnv:ilzseite der Feder l>eisltiels@@-cisc uni die Strecke r.
so da1i siele Punkt A attf 1>ttnl<t 3 und l'uiekt 2 legen wit-c1. (äleichzcitig
1>ct sich der t1ttttmchrige hitiletitslftu1l:t 3, -1 gegeniilflt' dein A1>-wä@zpunkt
2 noch um einen l@cti-<tg fite der 1>fcili-iclittlng, 'hervorgerufen durch (11c
in die Feder geleitete Druckkraft. Durch die helativlfeWCgung der I'tuikte 3. d.
<l-er Federli_utt gc@@enülrcr dcM funkt 2
auf rl: r .\1(wülzl@altlt
im l,erührungszustand der Ilei(lell ltt-r_tertt wird eine relative Haftreihung erzeugt.
die durch (he steigende Keilwirkung (aus \bh. 1,; ersichtlich) der gleichmäßig eingeteilten
Ilerührungspunkte erzeugt und ansteigend verstärkt ist. Diese verltültnisnt<il.iig
holte l);inil>fttsig tritt (langt lwmlu(lers wirksam auf. wenn die Federklittgen(lickc
gegenüber (lein .\liwülzdttrclimcsscr. wielleisl>iclswcisc in .\1111. 13 und .\blt.
14 dargestellt. ein besonders hohes \'erIt:iltltls hat.