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Biegungsfeder Gegenstand der Erfindung ist eine Dehnungsfeder aus
elastischem Werkstoff, die aus einem axial belasteten Federstab besteht. Dabei sollen
der Hub in axialer Richtung und die axial gerichtete .Kraft, die beim Strecken der
Feder frei wird, als Federhub und Federkraft ausgenutzt werden. Eine solche Feder
wird in der folgenden Beschreibung kurz als Biegungsfeder bezeichnet.
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Technische Federn sind in mannigfacher Form bekannt. Die meisten der
bekannten Federn lassen sieh auf eine Grundform zurückführen, die darauf beruht,
daß ein Stab beliebigen Querschnitts aus elastischem Werkstoff durch eine Kraft,
die senkrecht oder angenähert senkrecht zur Mittelachse des Stabes angreift, eine
Durchbiegung des Stabes hervorruft, wobei die Feder gespannt wird. Ebenso wie die
spannende Kraft ist die frei werdende Kraft, die beim Entspannen der Feder gewonnen
wird, senkrecht oder angenähert senkrecht zur Achse des Stabes gerichtet, bei kreisförmigen
Stäben also radial. Die einfachsteAnwendung dieses bekannten Grundprinzips ist es.
wenn ein gerader Stab an einem Ende eingespannt, am anderen Ende senkrecht zur Achse
belastet wird. Auch kann der Stab an beiden Enden unterstützt und in der Mitte senkrecht
zur Achse belastet werden. Auch durch andere, sehr verschiedenartige Ausführungsformen
wird die gleiche Grundidee verwirklicht. Beispielsweise kann der Stab gemäß der
häufigsten bekannten Anwendungsweise zur Schraubenlinie oder Spirale gewunden werden.
Immer handelt es sich aber im wesentlichen um das Verbiegen eines elastischen Stabes
quer (transversal) zur Stabachse.
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Zusätzlich tritt bei solchen Federn, z. B. wenn ein derartiger Federstab
zu einer Schraubenlinie gewunden ist, auch ein Verdrehen des Stabes um
seine
Achse ein. Es sind aber auch Federn bekannt, bei denen ausschließlich oder vorwiegend
die durch Verdrehen des Stabes entstehende Kraft ausgenutzt wird. Es sind dies die
bekannten Drehstab- oder Torsionsfedern. Die Mehrzahl der bekannten Federn 'hat
eine lineare 'Charakteristik, d. h. Hub und Kraft nehmen gleichmäßig miteinander
zu:. Es sind auch Federn bekannt, die eine gekrümmte Charakteristik aufweisen, z.
B. Kegelstumpffedern, sofernsie so eingebaut werden, daß mit zunehmender Kraft die
äußeren Windungen mit größerem Durchmesser gegen eine Unterlage zum Aufliegen kommen,
während die inneren steiferen Windungen noch wirksam bleiben. Die gekrümmte Charakteristik
verläuft dabei so, daß dieKraftzunahme stärker ist als die Hubzunahme. .
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In der Technik gibt es zahlreiche Bedarfsfälle; in denen die Federcharakteristik
der geschilderten bekannten Federn um ünstig und unerwünscht ist. Wenn beispielsweise
ein Absperr-; Sicherheits-, Regel- oder Rücksohlagventil durch eine Feder belastet
wird, so wird die größteKraft im allgemeinen dann benötigt, wenn das Ventil geschlossen
ist, damit ein hoher Anpreßdruck an den Dichtflächen erreicht wird. Die Zunahme'der
Kraft der Schließfeder beim Öffnungshub bringt keinerlei Vorteile und verzehrt unnötig
Kräfte. Außerdem erzeugt sie efhöhten Verschleiß in den Betätigungsorganen. Bei
Sicherheitsventilen ergibt sich die unerwünschte Wirkung, daß infolge der mit zunehmendem
Hub entsprechend zunehmenden Kraft auch der Abblasedruck steigt, wenn große Mengen
abgeblasen werden müssen und hierzu ein großer Querschnitt freigegeben werden muß.
Schließlich bedeutet die ungenutzte zusätzliche Kraft, die bei vollem Hub in der
gespannten Feder auftritt, in allen solchen Fällen einen, erhöhten Aufwand an kostspieligem
Federwerkstoff, da die Abmessungen der Feder nach der bei größtem Hub auftretenden
größten Beanspruchung bestimmt werden müssen.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Feder hat auch eine gekrümmte Charakteristik,
aber in der Weise, daß mit zunehmender Belastung die Zunahme des Hubes stärker ist
als die Zunahme der Kraft, also umgekehrt wie bei der erwähnten Kegelstumpffeder.
Erreicht wird diese Charakteristik im Prinzip dadurch, daß ein Federstab nicht transversah
(also, nicJht senkrecht zur Achse), sondern axial (also im wesentlichen in Richtung
oder angenähert in Richtung oder parallel zur Richtung der Achse) belastet wird.
Die Belastung erfolgt also etwa in der Weise, die einer Beanspruchung des Stabes
auf Knickung entspricht: Der erfindungsgemäße Federstab wird aus geeignetem Federwerkstoff
hergestellt, so daß keine Knickung, sondern eine elastische Aus-biegung erfolgt.
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Der Grundgedanke der Erfindung wird im folgenden an den Abb. i bis
3 erläutert. Die strichpunktierte Linie i deutet sinnbildlich die axialbelastete
Biegungsfeder an, die beispielsweise durch den Kolben 2, auf den die Kraft P wirkt,
axial belastet wird. Der Kolben ist in einer zylindrischen Buchse 3 zentrisch geführt.
Der durch die Belastung P bzw. Po, P1, P2 bewirkte Hub soll im folgeirden mit 1a
bzw. lt., 1t21 die Aüsbnegung, gemessen als Sehne des g e 'krümmten Federstabes,
mit a bzw. a., a. bezeichnet werden.
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In Abb. i ist die Biegungsfeder vollkommen gestreckt. In dieser Stellung
liegt die Kraft Po nicht eindeutig fest; sie kann zwischen 0 und einem Höchstwert,
der durch die Knicksicherheit des Stabes gegeben ist, betragen. Um im ganzen Arbeitsbereich
eine gesetzmäßige Zuordnung der Federkraft P zum axialen Federhub h zu erreichen
und um gleichzeitig die Richtung der Durchbiegung in gewünschter Weise festzulegen,
wird der Federstab schon im Einbauzustand um das Maß a1 vorgelogen., wobei -er mit
der Kraft P1 im Gleichgewicht ist (s. Abb. 2). Diese Vorspannungskraft P, entspricht
dann dem Vorspannungshub hl. Dabei können. zwei Möglichkeiten zur Anwendung kommen:
In der Regel wird ein Federstab verwendet, der im un.gespannten Zustand geradlinig
gestreckt ist. Dann hat die Vorspannungskraft P1 einen positiven Wert. Es kann aber
auch ein Federstab eingebaut werden, der so verformt ist, 'daß die Durchbiegung
a1 und der Hub lai schon im ungespannten Zustand gegeben sind. In diesem Falle beträgt
die Spannung P1 = 0.
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Wird die Axialkraft auf den Wert P2 erhöht, so vergrößert sich der
Hub auf den Wert h2, - wobei gleichzeitig die Aüsbiegung, als Bogensehne gemessen,
den Wert a2 erreicht. Im Gegensatz zu den bekannten Federn nimmt hierbei der Hub
lt im Verhältnis. zur Kraft P stärker zu, d. h. es wird eine verhältnismäßig
große Hubzunahme bei verhältnismäßig geringer Kraftzunahme erreicht. Die theoretische
Erklärung für diese Erscheinung ist dadurch gegeben, daß mit Zunahme der Kraft P
und mit Zunahme des, wirksamen Hubes h auch die nicht genutzte Ausbiegung a vergrößert
wird, die einen sich mit der Kraft gleichfalls vergrößernden Hebelarm entstehen:
läßt, auf den eine im Winliel'zur nunmehr verlagerten Achse angreifende Komponente
der Kraft P zur Wirkung kommt.
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Ein weiterer Erfindungsgedanke sieht vor, daß die Biegungsfe@der dadurchgespannt
wird, daß durch mechanische Mittel, die seitlich auf die Stabfeder einwirken, zunächst
eine Ausbiegung ct erzeugt wird, wodurch wiederum ein axialer Hub Ir bewirkt wird.
Die Durchführungdieses Gedankens wird an Abb. 4 und 5 erläutert.
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Abb: 4 zeigt die Biegun@gsfeder i, die in der Mitte mit der Ausbiegung
a1 leicht durchgebogen ist, im vorgespannten (oder auch =gespannten) Zustand. Sie,
übt dabei eine Kraft P1 auf den Kolben 2 aus. Ein um die Achse .4 schwenkbarer Exzenter
5 ist so eingestellt, daß er die Feder i nicht berührt. Bei Schwenkung des Exzenters
5 gemäß Abb. 5 erzeugt dieser eine Ausbiegung a2 an der Biegungsfeder i. Gleichzeitig
wird mit dieser Ausbiegung eine Zugkraft auf die Enden der Bi2gungsfeder ausgeübt,
die den Hub von lt, auf h2 vergrößert.
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Vorausgesetzt wird, daß die Biegungsfeder i im Punkt 6 drehbar, aber
nicht verschiebbar g,-lagert ist. In dieser Stellung ist die Biegunggsfeder so
gespannt,
daß sie nach Freiwerden eine KraftP., aufbringt. Zur Betätigung ist die Schwenkung
des Exzenters um 9o' sowie ein verhältnismäßig geringer Kraftaufwand erforderlich.
Bei Rückschaltung des Exzenters in die ursprüngliche Lage nach Abb.4 kann die Biegungsfeder
bei ihrer nunmehr erfolgenden Entspannung eine Arbeit leisten, die der Hubänderung
von la., in lal und der Kraftänderung von P2, in P1 entspricht.
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Im Gegensatz zu den bisher gezeigten Beispielen ergibt sich ein-,
gesteigerte Wirkung, wenn die Biegungsfeder i an beiden Enden, d. h. oben im beweglichen
Kolben 2 und unten am Abstützpunkt 6; so eingespannt ist, daß an diesen Enden die
axiale Lage des Federstabes zwangsläufig erhalten bleibt, wie in Abb. 6 dargestellt.
Wird die Biegungsfeder nun in der Mitte durch äußere Einwirkung oder durch die axiale
Belastung mit dem Krümmungsradius r-1 ausgebogen, so entstehen oben und unten neben
den Ei nspanns.tellen entgegengesetzte Krümmungen mit den Radien r. und r3. Die
Gesamtfederspannung wird dadurch erhöht, und cs entstehen größere Kräfte, die zur
Rückführung der Biegungsfeder in die ursprüngliche Lage wirksam «-erden.
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Während in Abb. i bis 6 sinnbildlich theoretische llögliclilceiten
der Erfindung angedeutet werden, zeigen die weiteren Abbildungen sc'hematisc'h praktische
Ausführungsbeispiele. Zweckmäßig ist es dabei, die Biegungsfeder paarweise oder
in Gruppen von mehreren Einzelfedern symmetrisch angeordnet auszuführen.
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In Abb. 7 und 8 wird als Beispiel die Anwendung der erfindungsgemäßen
Feder für ein Absperrventil gezeigt. Ein Ventilteller 7, der gegen einen Sitz 8
abdichtet, wird durch die Spindel g betätigt. Zur Erzielung eines symmetrischen
Kraftangriffs sind hier zwei gegenüberliegende Biegungsfedern i vorgesehen. Sie
sind an einem Ende mit dem Spindelkopf 1o, am anderen Ende mit dem den Ventilsitz
8 tragenden Gehäuse fest verbunden. Die Länge der Spindel ist so bemessen, daß die
Feder i entsprechend der für das Dic'ht'halten des Ventils erforderlichen Anpreßkraft
vorgespannt wird'.' Sie wird dabei um das Maß lrl gegenüber der gestreckten Länge
axial verkürzt und um das Maß a, gegenüber der gestreckten Lage durchgebogen. Zur
Betätigung ist im gezeichneten. Beispiel eine Exzenterscbeib:e 5 vorgesehen, die
ein schlagartiges Öffnen und Schließen des Ventils bei einer Schwenkung um go' ermöglicht.
(Selbstverständlich können auch andere Betätigungsorgane, z. B. eine Gewindespindel,
vorgesehen werden.) Bei geschlossenem Ventil nach Abb. 7 hat die Exzenterscbeibe
5 keine Berührung mit dem Spindelkopf i o. Bei Schwenken der Exzenterscheibe um
go' (s. Abb. 8) drückt die Exzenterscheibe über Spindel-1. opf io und Spindel g
das Ventil in die geöffnete Stellung. Dabei wird an den Biegungsfedern i der Hub
k., und die Ausbiegung a2 erreicht. Wie: ein gangs geschildert, kommt dabei der
Vorteil derartiger Biegungsfedern: zur Geltung, daß die FederkraftP im Verhältnis
zum Hub in geringerem Maße zunimmt als bei Federn üblicher Art. Bei Zurück-' schalten
des Exzenters schließt das Ventil schlag-,artig unter Einwirkung der Federkraft.
Die Ausführung nach Abb. 7 und ä hat den Nachteil, daß das Betätigungsorgan, z.
B. der Exzenter 5, die volle Federkraft überwinden muß.
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Diesen Nachteil vermeidet die Ausführung nach Abb. g, 1o und i i,
bei- der das in Abb. 5 und 6 gezeigte Prinzip in abgewandelter Form angewendet wird.
Zwischen den beiden Federn i ist die doppelseitige Nockenscheibe 5 angeordnet. Abb.
g zeigt das geschlossene Ventil. Dabei liegt die Längsachse der Exzenterscheibe
5 parallel zu den Bi:gungsfedern i, ohne diese zu berühren. Bei Drehung des Exzenters
mittels Griff i i um go' wird die Feder in der Mitte- auseinandergedrückt, dabei
gespannt und in Längsrichtung verkürzt. Dadurch wird das Ventil geöffnet. Der Vorteil
liegt darin, daß ähnlich wie bei einer Knie'hebelübersetzung durch geringen Kraftaufwand
große Kräfte an den Enden d2rFeder in senkrechter Richtung zum Kraftangriff der
Exzenterscbeibe erreicht werden. An die Stelle des Kniehebelgelenkes tritt hier
die Durchbiegung der elastischen Feder.
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Um die. Spindel g und die Exzenterscheibe 5 so unterzubringen, daß
sie sich räumlich nicht im Wege stehen, sind mannigfache Möglichkeiten offzn. Dargestellt
ist eine Ausführung in Ab:b. i i, die eine Draufsicht zu Abb. g darstellt. Hier
sind zwei doppelseitige Exzenterscheiben 5 zwischen je zwei, insgesamt also vier
Biegungsfedern i symmetrisch um die Spindel g angeordnet. Die Exzenter 5 sind außen
in den Zapfen 12 gelagert und innen durch eine kurbelwellenartig gekröpfte Welle
13 verbunden, die die Spindel g einseitig umschlingt und an der der Betätigungshebel
i i angreift.
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Um ein zu scharfes Abknicken und damit ein Brechen der Biegungsfedern
i zu verhüten, können in der Nähe der Einspannstellen Rollen oder Kurvenflächen
14 angeordnet werden, gegen die sich die Biegungsfedern legen, wie als Beispiel
in Abb. io dargestellt.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit zeigt Abb. 13. Hier ist
der Ventilteller ,~ direkt an dem einen Ende der paarweise angeordneten Biegungsfedern
i ohne Zwischenschaltung einer Spindel befestigt, während das andere Ende starr
mit dem Gehäuse verbunden ist. Das Ventil wird durch die Federkraft in Schließstellung
gehalten, wobei die Längsachse der Exzentersc'heibe 5 parallel zu den Bie:gungsfedern
liegt. Wird die doppelseitige Exzenterscbeibe um go' verdreht, so drückt sie, wie
strichpunktiert angedeutet, die Biegungsfedern i nach außen, verkürzt dabei ihre
Länge und zieht sie in die geöffnete Stellung.
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Die Eigenart der erfindungsgemäßen Biegungsfedern läßt weiterhin leicht
einen m chanischen zusätzlichen Eingriff von außen erreichen, der zur Verstärkung
der Federkraft im vorgespannten Zustand leerangezogen werden kann. Eiire solche
Ausführung, die einen weiteren Erfindungsgedanken enthält, ist in Abb. 1d. und 15
dargestellt. Es handelt sich hier um ein Ventil ähnlich der Ausführung nach Abb.
q bi!s i i. Zusätzlich sind hier Rollen
oderWalzen 15 angeordnet,
die durch einen gemeinsamen Rahmen 16 verbunden und in Richtung de,# Ventilhubes,
verschiebbar ausgeführt sind. Der Abstand der Walzen 15 voneinander ist so gewählt;
daß bei Mittellage des Rahmens, 16 entsprechend der Abb. 14 die Biegungsfedern r
nach innen zuammengedrückt und: in gestreckter Lage gehalten werden.* .
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Zum Offnen des Ventils wird die doppelseitige Exzenterscheibe 5 quer
gestellt und gleichzeitig der Rahmen 16 mit den Walzen 15 nach oben geschoben (:s:.
Abb. 15). Zum Schließen wird die Ezxenterscheibe mit ihrer Längsachse parallel zur
Spindelac'hse eingestellt und gleichzeitig der Rahmen 16 aus der oberen Lage in
die Mittelstellung gezogen (s. Abb. 14). Hierbei führen die Walzen 15 die
Biegungsfedern i zwangsläufig in die gestreclcte Läge und unterstützen dadurch deren
von 'der Eigenfederung eingeleitete Bewegung. Dabei verstärken sie die Kraft in
axialer Richtung beträchtlich, da durch denn seitlichen Druck der Walzen auf die
Biegungsfedern eine Kraftübersetzung eintritt.
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Die Schaltbewegung der Exzenterscheibe 5 kann mit der Hubbewegung
des Rahmens 16 unter Verwendung !an sich bekannter Mittel gekuppelt sein. Beispielsweise
kann auf der Achse 4 der Exzenterscheibe 5 ein. Zahnrad 17 angebracht werden, das
in eine parallel zur Spindelachse liegende, axial verschiebbare, den Rahmen 16 tragende
Zahnstange i8 eingreift. Eine andere Lösung der Aufgabe zeigen Abb. 16 und 17: Hier
werden außer der mittleren, zwischen den Biegungsfedern i liegenden zweiseitigen
Exzenterscheibe 5 zwei weitere einseitige Exzenterscheiben ig und 2o mit entgegengesetzt
gerichtetem Exzenter angeordnet. Alle drei Exzenterscheiben sind durch ein Gestänge
2"1 derart miteinander gekuppelt, daß sie gemeinsam die Schaltbewegung von go° ausführen.
Bei der Stellung nach Abb. 16 steht die Exzenterscheibe 5 so, daß sie :die Bewegung
der Biegungsfedern i freigibt, während die Exzenterscheiben 1g und 2o die Biegungsfedern,
nach innen drücken. Umgekehrt drückt in Abb. 17 die Exzenters:eheibe 5 die Biegungsfedern
i nach außen, während die Exzenterscheiben ig und 2o jetzt den Weg für diese auswärts
gerichtete Bewegung freigeben.
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Form und Querschnitt der Biegungsfedern kann in jeder beliebigen Art
je .nach Zweckmäßigkeit gewählt werden. Beispielsweise können kreisrunde, quadratische,
rechteckige Stäbe, aber auch Federblechstreifen und Platten verwendet werden. Auch
isst es möglich, nach Art der bekannten Blattfedern mehrere Federblechstreifen zu
einem Paket zu schichten. Ferner kann der Querschnitt beispielsweise, um ein Profil
gleicher Beanspruchung.zu erreichen, in- an sich bekannter Weise über der Länge
zwischen den Enden unterschiedlich ausgeführt werden.
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Zur Herstellung der Biegungsfedern können alle elastischen Werkstoffe
verwendet wenden, wie sie in der Technik für die Anfertigung von Federn bekannter
Ausführung zur Anwendung kommen. Bevorzugt soll Federstahl verwendet werden; möglich
ist jedoch die Verwendung aller anderen unorganischen öder organischen elastischen
Werkstoffe, wie z. B. Federbronze, Holz usw.
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Ein besonderes Anwendungsgebiet ergibt sich erfindungsgemäß aus der
Verwendung von Bimetall zur Herstellung derartiger Biegungsfedern. EinEinhaubeispiel
hierfür ist inAbb.12 dargestellt. Es. entspricht etwa der Einbauform von Abb. 13,
jedoch entfällt hier die Exzenterscheibe 5 als Betätigungsorgan. Die Betätigung,
d. h. das Spannen und Strecken der Biegungsfedern aus Bimetall, erfolgt hierdurch
die Arbeit des Bimetalls, das: sich in an sich bekannter Weise unter Temperatureinwirkung
krümmt. Soll beispielsweise ein bimetallgesteuertes Ventil bei Erwärmung öffnen,
bei Abkühlung schließen, so werden als Biegungsfedern Bimetallstreifen eingebaut,
die im kalten Zustand gestreckt, im warmenZustandgekrümmt sind. Die Lage der Bliegungsfedern
i und des Ventiltellers 7 im erwärmten Zustand ist in Abb. 12 strichpunktiert gezeichnet.
Eine solche Ausführung hat gegenüber den bekannten bimetallgesteuerten Organen den
Vorzug einer günstigeren Materialausnutzung und der Erzeugung größerer Kräfte.
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Das Wesen der Erfindung wurde an dem Beispiel federgesteuerter Ventile
erläutert. Die beschriebenen und abgebildeten Beispiele können mannigfach abgewandelt
werden. Die Anwendung soll jedoch erfindungsgemäß ganz allgemein auch auf anderen
Gebietender Technik erfolgen, wo federnde Kräfte benötigt werden.