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Verfahren zur Herstellung einer Einblattfeder von hoher Tragfestigkeit
und Lebensdauer Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Federn und insbesondere
auf die Herstellung von Blattfedern. Die üblichen Blattfedern sind geschichtet und
bestehen aus einer Anzahl von Federblättern. Im Gegensatz hierzu hat sich die Erfindung
die Aufgabe gestellt, die Federblätter so auszubilden, daB ein einzelnes Federblatt
ausreicht, wo bisher Konstruktionen mit mehreren übereinandergeschichteten Federblättern
verwendet wurden.
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Um das Gewicht eines Federblattes möglichst gering zu halten, müssen
die Beanspruchungen an allen Punkten gleich sein. Folglich muß ein einzelnes Federblatt
über seine Länge entweder verschiedene Breite oder verschiedene Stärke oder beides
aufweisen. Versuche haben gezeigt, daB eine Einblattfeder von im wesentlichen konstanter
Breite, aber verschiedener Stärke am brauchbarsten ist. Die bevorzugte Ausführungsform
einer Einblattfeder nach der Erfindung besteht daher in einem Federblatt mit konstanter
oder im wesentlichen konstanter Breite, aber verschiedener Stärke, die von einem
GröBtwert in der :Mitte auf einen Kleinstwert nach den Enden der Feder zu abnimmt.
Sie
hat ungefähr die gleiche Länge und Breite wie die üblichen geschichteten Blattfedern
gleicher Tragfähigkeit, ist aber viel dünner. Das wird dadurch ermöglicht, daß ihre
Herstellung nach dieser Erfindung größere Beanspruchungen als bisher zuläßt.
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Der Querschnitt eines Federbla;tes nach der Erfindung kann verschiedene
Forin aufweisen. Für gewöhnlich wird er rechteckig mit leicht abgerundeten Kanten
gewählt, z. B. mit Kantenabrundungen von 1'/z bis 3 mm. Es sind jedoch auch andere
Querschnitte, z. B. mit einer Nut in der Mitte oder parabolischen Kanten, twiglich.
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Eine Einblattfeder nach dieser Frfindung ist besonders für die Hinterach,sfederung
von Personenkraftwagen geeignet. Sie kann naturlich auch für Vorderachsfederungen
verwendet werden, jedoch sind dabei die Vorteile nicht so groß.
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Die Befestigung an der Achse und am Fahrgestellrahmen geschieht ähnlich
wie bei den üblichen geschichteten Blattfedern. Vorzug@wei,se werden jedoch keine
Federbügel mit direkter Auflage von Metall auf Metall in der Mitte verwendet, denn
diese verursachen Reibung auf dem Federblatt und können beiden hohen Beanspruchungen
Brüche hervorrufen. Eine Zwischenlage aus weichem oder nachgiebigem Material wird
vorzugsweise zwischen Federblatt und Federbügel gelegt, wodurch ein gleichmäßiger
Flächendruck erzeugt und ein Rutschen vermieden wird. Vorzugsweise wird auch auf
das übliche Mittelbolzenloch verzichtet und an seiner Stelle ein Paar Nuten an den
Seiten des Federblattes in der Nähe der neutralen Faser angebracht, um die Feder
in ihrer Lage zu halten und den Längsschub aufzunehmen. Es ist auch möglich, diese
Nuten fortzulassen und statt dessen die Feder auf die Gummikissen aufzuvulkanisieren.
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Ein wichtiger Vorteil der Einblattfeder im Vergleich zu den geschichteten
Federn ist, wie bereits angedeutet, ihr stark vermindertes Gewicht, das durch eine
Erhöhung der zulässigen Beanspruchungen und folglich einer starken Verminderung
des unwirksamen Federmaterials erreicht wird.
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Die Herstellungskosten werden daher im Verhältnis zu dem verringerten
Einsatzgewicht und der geringeren Anzahl der zu verarbeitenden Teile gesenkt.
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Ein wichtiger Vorteil bei der Verwendung einer Einblattfeder ist auch
der Fortfall der Reibung, die zwischen den einzelnen Federblättern bei der geschichteten
Feder auftritt. Zwischenlagen oder Federmanschetten sind daher nicht erforderlich,
und die Feder erfordert keinerlei Wartung. Die Federcharakteristik bleibt konstant,
da die veränderliche Reibung der üblichen geschichteten Federn fortfällt.
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Im folgenden wird unter Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen dargelegt,
wie eine Feder nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
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Fig. i ist eine schematische Darstellung des Walzvorganges, bei dem
ein Federblattrohling von annähernd gleicher Breite. aber verschiedener Stärke warm
gewalzt wird; Fing. 2 zeigt die Bildung der Federaugen an den Enden des in Fig.
i dargestellten Federblattrohlings; Fig. 3 veranschaulicht schematisch das Abschrecken
der Feder in einer gelogenen Vorrichtung während des Härtens: Fig. 4 veranschaulicht
(las Stahlstrahlen der wärmebehandelten Feder unter Belastung; Fig.5 ist ein Schaubild
der idealen Umrisse einer halbelliptischen Feder gleicher Breite und verschiedener
Stärke, bei der alle Querschnitte der gleichen Beanspruchung unterworfen werden,
wohei die Stärke der Feder in einem größeren Maßstal) als ihre Länge dargestellt
ist; Fig. 6 ist ein Schaubild einer Abänderung der in Fig.5 dargestellten idealen
Umrisse, wob:i wieder die Stärke in einem größeren Maßstab als die Länge dargestellt
ist; Fig. 7 ist ein Beispiel für eine Vorrichtung. durch die der Feder nach dem
Stahlstrahlen eine Vorspannung ,gegeben wird; Fig. 8 veranschaulicht die :\tifl>ringung
eines korrosionsfesten Überzuges, um die Feder im Gebrauch vor Korrosion zu schützen;
in Fig.9 sind die verschiedenen Verformungen übereinander dargestellt, die die Feder
während der einzelnen Arbeitsstufen durchläuft; Fig. io stellt die Feder ini eingebauten
Zustand dar.
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Beim Herstellen der Einblattfeder wird (las Federmaterial entweder
durch Warmwalzen oder durch Schmieden in die Form gebracht, bei der unter Belastung
die Beanspruchungen in allen Querschnitten möglichst gleich werden. Fig. i zeigt
schematisch den Vorgang leim Warmwalzen eines Federblattrohlings io. Der dargestellte
Rohling hat eine gleichmäßige Breite und eine verschiedene Stärke, wobei die Teile
der größten Stärke in der Mitte des Rohlings liegen, dort, wo die Feder an der Achse
befestigt wird. Die Unterseite des Federblattrohlings ist flach, während seine Oberseite
in ihrem Profil so ausgebildet ist, daß die Beanspruchungen unter Belastung in allen
Querschnitten im wesentlichen gleich werden.
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Die idealen Profile oller Umrisse für eine halbelliptische Feder konstanter
Breite für gleiche Beanspruchungen in allen Querschnitten sind schematisch in Fig.
5 dargestellt.
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Die Unterseite i i ist flach, während die Oberseite von zwei Parabeln
12 und 13 1)egrenzt wird. In einer abgeänderten Form, die in Fig.6 veranschaulicht
ist, sind die beiden Parabeln der Fig. 5 durch einen Kreisbogen 14 verbunden, wodurch
die Stärke an diesem Teil der Feder, der an der Achse festgeklemmt wird, etwas vermindert
ist. An den Enden 15, 15 ist die Stärke konstant und hat ihren geringsten Wert,
um genügend .Material zur Bildungder Federaugen zu belassen.
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Die Walzoperation zur Herstellung der Form kann in jeder gewünschten
Weise vorgenommen werden. Zum Beispiel kann sie in einem einzigen Arbeitsgang und
in kontinuierlichen Streifen in einem Walzwerk vorgenommen werden. Sie
kann
die letzte Operation bei dem üblichen Auswalzen von Bandmaterial sein, so daß keine
besondere Erwärmung erforderlich wird. Das Auswalzen der Form kann jedoch auch in
einer Reihe von aufeiiiaiiderfolgenden Operationen erfolgen analog dein Zuspitzen
von Federblättern für geschichtete Blattfedern.
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Fig.2 veranschaulicht die Bildung der Federaugen 16, die in ähnlicher
Weise geschieht, wie bei dem Hauptblatt von geschichteten Federn.
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Nach der Bildung der Augen 16 wird das Blatt wärmebehandelt und auf
eine Härtetemperatur gebracht, die über der Umwandlungstemperatur Ac3 liegt. Das
Federblatt wird dann in eine Abschreckvorrichtung (Fig. 3) eingelegt, die so ausgebildet
ist, daß sie dem Blatt die gewünschte Sprengung verleiht. Diese Vorrichtung besteht
aus einem unteren Teil 17 und einem Oberteil 18, zwischen denen das erwärmte
Federblatt einsgespannt und dann mit Ül od. dgl. zur Härtung abgeschreckt wird.
Die Abschreckvorrichtung ist so geformt, daß sie Forin'inderungen der Feder während
der folgenden .\i-1>eitsgäiige ausgleicht, so daß die fertige Feder am Ende die
gewünschte Form aufweist.
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Die so gehärtete Feder wird dann aus der Abschreckvorriclitung herausgenommen
und ohne Belastung angelassen. Dieser Arbeitsvorgang besteht in einer nochmaligen
Erwärmung der gehärteten Feder auf eine Federanlaßtemperatur, die beträchtlich niedriger
ist als die der Härteoperation.
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Die in der gebogenen Abschreckvorrichtung der Feder erteilte Sprengung
wird durch das Anlassen nicht beeinflußt. Die Härte- und Anlaßtemperaturen können
die gleichen sein wie bei der Wärmebehandlulig üblicher Blattfedern. Typisch für
eine solche Wärmebehandlung ist eine Erhitzung der Feder auf `7o C für 2 Stunden,
worauf sie zum Härten in 01 abgeschreckt wird. Sie wird dann auf eine Anlaßteinperatur
in Höhe von 4oo bis 500° C gebracht, wobei d.ie niedere Anlaßtemperatur bei Stählen
mit geringem Kohlenstoffgehalt und die höhere Anlaßtemperatur bei Federstählen mit
hohem Kohlenstoffgehalt angewendet wird.
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Nach dem Härten und Anlassen wird .die Feder unter Belastung einem
Stahlstrahlgebläse ausgesetzt. Da die unbelastete Feder eine Sprengung hat, wird
sie in eine Vorrichtung gespannt, die sie nahezu gestreckt hält, wobei sie eine
Zugbeanspruchung von ungefähr gooo bis i 4 ooo kg/cm2, im DurcliSClitlltt r200okg/cm2,
also bis nahezu an die Streckgrenze, auf der dem Stahlstrahl ausgesetzten zugbeanspruchten
Seite erfährt. Das Stahlstrahlen geschieht in der Weise, daß durch Preßluft oder
durch finit hoher Geschwindigkeit umlaufende Räder gehärteter Stahlschrot mit hoher
Geschwindigkeit auf die zugbeanspruchte Oberfläche des Federblattes geschleudert
wird. Das Federblatt durchwandert das Stahlstrahlgebläse, so da13 die ganze zugbeanspruchte
Seite gründlich dein Stahlstrahl ausgesetzt wird. Die besten Resultate werden erzielt,
wenn die Kanten der zugbeanspruchten Seite ebenfalls gestrahlt werden. Das Stahlstrahlen
hat die Wirkung, daß die Oberfläche der Feder gewalkt wird, und da die Feder schon
bis nahe an die Elastizitätsgrenze beansprucht ist, ist die Wirkung des Strahlens
intensiver und dringt tiefer ein, als dies bei einer unbeanspruchten Feder der Fall
sein würde. Das Strahlen verbessert die Tragfähigkeit und die Lebensdauer der Feder
bedeutend. Gleichzeitig setzt sich die Feder während der Strahloperation um ein
lietr:ichtliches. und dieses Setzen muß durch die Ausbildung der Abschreckvorrichtung
ausgeglichen werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Stahlstrahlens besteht aus einem
Block 20 (Fig. ,4), auf dem die Feder durch Klemmen 22 gehalten wird, und aus deti
Stahlstrahldüsen 24. Um die der zugbeanspruchten Oberfläche benachbarten Kanten
zu strahlen. werden die Düsen in einem -'Winkel angeordnet. Jlan hat z. 13. sehr
gute Resultate erzielt mit Düsen, die in einem Winkel von 450 zur Senkrechten angeordnet
waren. Das Stahlstrahlen kann in einem oder in mehreren Durchgängen durch die Maschine
erfolgen. Das Stahlstrahlen unter Belastung ist an sich neu und kann auch bei der
Herstellung anderer als Einblattfedern angewendet werden, um ihre Lebensdauer und
Tragfähigkeit bedeutend zu erhöhen.
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Nach (lern Strahlen wird die Feder gesetzt, indem man sie in Richtung
der späteren Belastung ohne Erwärmung etwa 1o bis 30 % über die größte unter Belastung
zu erwartende Formänderung durchhiegt. Diese weitere Verformung muß ebenfalls bei
der Konstruktion der Abschreckvorrichtung berücksichtigt sein. Dieses Setzen der
Feder verfolgt einen doppelten Zweck. Erstens vermindert es das nachträgliche Setzen
der eingebauten Feder im Betrieb und zweitens gestattet es einen Ausgleich der Fahrzeughöhe
vorzunehmen, so daß kleine Abweichungen in der Sprengung, die durch ungleiches -Material
oder Herstellungsungenauigkeiten entstehen, korrigiert werden. Eine Vorrichtung
zum Setzen der Feder ist in Fig. 7 dargestellt. Sie besteht aus einem Block 30,
über den die Feder unter der durch die Stangen 32 ausgeübten Belastung gebogen wird.
Das Setzen kann auch dadurch geschehen, daß man die Feder zwischen einem Stempel
und einer Matrize einklemmt, oder einfach dadurch, daß man sie mit einer Überbelastung
von 1o bis 30 % der Normallast belastet. Nach dem Setzen hat die unbelastete Feder
ihre richtige Form, die eine geringere Sprengung hat, als nach dem Verlassen der
Abschreckvorrichtung.
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Nach dem Setzen wird der Feder noch vorzugsweise ein Schutz gegen
Korrosion verliehen, z. B. durch einen Anstrich mit Phosphaten oder Farbe. Diese
Schutzbehandlung der Feder ist in Fig.8 dargestellt und besteht einfach darin, daß
man die Feder in eine in einem Tank 38 befindliche Schutzlösung 36 taucht.
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In Fig.9 sind die verschiedenen Verformungen der Feder während des
Herstellungsvorganges veranschaulicht. A deutet ihre Form nach dem Härten und Anlassen
an, B zeigt die Form der Feder nach
dem Stahlstrahlen, C die Form
der fertigen unbelasteten Feder.
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Bei normaler statischer Belastung nimmt die Feder die Form D an, während
sie bei größter Belastung im Fahrzeug die Form E hat. In der Setzoperation wird.die
Feder auf die Form F gebracht.
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Der Unterschied in den Formen A und B ist auf das Stahlstrahlen
zurückzuführen und der Unterschied in den Formen B und C ergibt sich aus der Setzoperation.
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Im Gebrauch kann sich die Feder zwischen der Form C in unbelastetem
Zustand und der Form E bei größter Belastung durchbiegen. Der Unterschied in der
Form E bei höchster Belastung und der Form F nach dem Setzen der Feder ist die Differenz,
um die die beim Setzen angewendete Belastung die Höchstbelastung überschreitet.
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Fig. io veranschaulicht eine in ein Kraftfahrzeug eingebaute Einblattfeder.
Die Enden der Feder sind in üblicher Weise mit dem Chassis 48 verbunden, und die
Mitte der Feder ist vermittels Federbriden und Federlager So an der Achse 52 festgeklemmt.
Die voll ausgezogenen Linien zeigen die Feder in der normalen Stellung bei statischer
Belastung. Die oberen strichpunktierten Linien geben die Lage der Feder bei höchster
Belastung, die unteren strichpunktierten Linien die Lage der unbelasteten Feder
wieder.
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Lebensdauer und Tragfähigkeit einer Feder können weiter gesteigert
werden, wenn man die Stahlstrahlbehandlung nach dem Setzen wiederholt. Diese Wiederholung
kann bei völlig unbelasteter Feder oder bei belasteter Feder, wie in Fig. 4 dargestellt,
geschehen. Die besten Resultate wurden erzielt, wenn man die zweite Stahlstrahlbehandlung
unter denselben Beanspruchungen vornahm wie bei der ersten Stahlstrahlheliandlung.
Das weitere Setzen der Feder während dieses Arbeitsganges muß ebenfalls in der Form
der Abschreckvorrichtung berücksichtigt werden.