DE957260C

DE957260C - Component for elastic, preferably highly elastic, stress

Info

Publication number: DE957260C
Application number: DEF10725A
Authority: DE
Inventors: Dr Ludwig Foeppl; Dr-Ing Habil Gerhard Sonntag
Original assignee: SONNTAG GERHARD DR ING HABIL
Current assignee: SONNTAG GERHARD DR ING HABIL
Priority date: 1952-12-28
Filing date: 1952-12-28
Publication date: 1957-01-31

Description

Bauteil für elastische, vorzugsweise hochelastische Beanspruchung Es ist eine bekannte Tatsache, daß Bauteile für elastische, insbesondere für hochelastische Beanspruchung, z. B. Federn, im Laufe einer längeren Betriebsbeanspruchung, besonders bei sprunghaften Richtungsänderungen, an ihrer äußeren Begrenzung oder an den Lochrändern leicht reißen und schließlich brechen. Dies ist besonders dann der Fall, wenn es sich nicht um ruhende, sondern um schwellende oder wechselnde Beanspruchung handelt, wie dies bei Bauteilen, für welche vorzugsweise hochelastische Baustoffe verwendet werden, meist zutrifft. Aber auch bei ruhender Belastung, z. B. im Fall einer rechteckigen, an ihren Rändern gelagerten Platte, treten unter Umständen Spannungserhöhungen auf. Eine derartige Platte wird sich nämlich unter der Last an ihren vier Ecken heben, so daß der Auflagebereich sich vermindert und die Auflagekräfte sich entlang ihren Rändern verändern.Component for elastic, preferably highly elastic, stress It is a known fact that components for elastic, especially for highly elastic Stress, e.g. B. springs, in the course of a long period of use, especially in the case of sudden changes in direction, at their outer boundary or at the edges of the holes tear easily and eventually break. This is especially the case when there is it is not a question of static, but rather swelling or changing stress, As is the case with components for which highly elastic building materials are preferably used mostly applies. But even with resting loads, e.g. B. in the case of a rectangular, If the plate is stored at its edges, stress increases may occur. Such a plate will in fact lift at its four corners under the load, so that the support area is reduced and the support forces along their Change margins.

Bisherige Versuche, diesem Übelstand zu begegnen, gingen meist in der Richtung, die gefährdeten Stellen der Bauteile zu verstärken und notwendige Richtungsänderungen stetiger zu gestalten. Daneben ging man auch so vor, daß der Körper bestimmte Vorspannungen erhielt, die den durch die Beanspruchung hinzukommenden Spannungen in ihrer Richtung entgegengesetzt sind, so daß zunächst die Vorspannungen abgebaut werden müssen und die resultierenden Höchstspannungen geringer bleiben, als sie es ohne sie sein würden. Mit diesen Ms.ßnahmen kommt man aber vielfach nicht aus.Previous attempts to counter this deficiency have mostly been in the direction to reinforce the vulnerable parts of the components and necessary To make changes of direction more constant. In addition, one proceeded in such a way that the Body received certain pre-stresses, which are added by the stress Tensions are opposite in their direction, so that first the biases be dismantled must and the resulting maximum voltages are lower stay as they would be without them. But with these measures one comes in many ways not from.

Die Erfindung geht von der in Verbindung mit spannungsoptischen Versuchen gewonnenen Erkenntnis aus, daß bei der Berechnung von Körpern, deren Formänderung unter der Beanspruchung nicht mehr als klein im Sinne -der theoretischen Mechanik zu bezeichnen ist, von der durch die Beanspruchung verformten Körpergestalt auszugehen ist, d. h. daß die Berechnung der Spannungen so erfolgen kann, als wenn der Körper von vornherein die erst bei der Beanspruchung angenommene Gestalt gehabt hätte. Sie beruht auf dem Gedanken, an Stelle von Vorspannungen dem Körper im unbeanspruchten Zustand eine solche Gastalt zu geben, daß bei wachsender Beanspruchung des Körpers eine spannungstechnisch zunehmend günstigere Körperform entsteht.The invention is based on that in connection with stress-optical experiments Knowledge gained from the fact that when calculating bodies, their shape change under the load no more than small in the sense of -theoretical mechanics is to be designated, starting from the body shape deformed by the stress is, d. H. that the calculation of the stresses can be done as if the body from the outset would have had the shape it assumed when it was used. It is based on the idea that instead of pre-tensioning the body in the unstressed Condition to give such a hospitality that with increasing stress on the body a body shape that is increasingly favorable in terms of tension is created.

In praktischer Ausführung dieses Gedankens wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei Bauteilen, insbesondere für hochelastische Beanspruchung, in den am meisten gefährdeten Gebieten der Kantenumlenkung den Querschnitt im Hinblick auf die im Betriebe zu erwartenden Formänderungen zu gestalten, d. h. die Bauteile so zu formen, daß ihr Querschnitt, unbeansprucht, im Gebiet der Kantenumlenkungen entgegengesetzt zu der bei seiner Beanspruchung auftretenden Verformungsrichtung derart gestaltet ist, daß bei einer Beanspruchung in bestimmter Höhe der günstigste Querschnitt entsteht. Dabei kann die so definierte Formgebung der in Frage kommenden Querschnittsbereiche entweder rechnerisch erfolgen, indem z. B. die zu erwartende Formänderung bestimmt und die Begrenzung des Querschnitts an der gefährdeten Stelle entgegen der Verformungsrichtung entsprechend verschoben wird. Es kann aber der Grenzverlauf der in Frage kommenden Querschnitte auch empirisch, d. h. durch Tastversuche, gefunden werden, indem von einem im Sinne des Erfindungsgedankens als zweckmäßigvermuteten Querschnittsverlauf ausgegangen und die sich bei der auszuhaltenden Beanspruchung ergebende Formänderung jeweils ermittelt wird, bis die spannungstechnisch beste Form gefunden ist.In a practical implementation of this idea, it is proposed according to the invention, in the case of components, in particular for highly elastic loads, in the most endangered areas of the edge deflection the cross-section with regard to the im To design changes in shape that are to be expected, d. H. to shape the components in such a way that that their cross-section, unstressed, is opposite in the area of the edge deflections designed in such a way as to the direction of deformation occurring during its stress is that the most favorable cross-section is obtained when the load is at a certain level. The shape of the cross-sectional areas in question can be defined in this way either be done arithmetically by z. B. determines the expected change in shape and the limitation of the cross-section at the endangered point against the direction of deformation is shifted accordingly. But it can be the borderline of the in question Cross-sections also empirically, i.e. H. through tactile tests, can be found by from a cross-sectional course assumed to be expedient in the sense of the concept of the invention assumed and the change in shape resulting from the load to be withstood is determined in each case until the best voltage-related shape is found.

Die Erfindung hat ein weites Anwendungsgebiet und ist grundsätzlich nicht auf die im nachfolgenden näher erläuterten Gebiete beschränkt. Als Beispiele für ihre vielseitige und verschiedenartige Bedeutung werden nur die folgenden angegeben: z. Um Gummikörper, die z. B. als Zwischenlager für schwingende Maschinen verwendet werden und durch die innere Reibung eine merkliche Temperaturerhöhung erfahren, vor Rissen, z. B. an Entlüftungslöchern, zu bewahren, können diese erfindungsgemäß so gestaltet werden, daß sie erst unter der Last die Gestalt annehmen, bei welcher ihre Beanspruchung an den Rändern am geringsten ist.The invention has a wide field of application and is fundamental not restricted to the areas explained in more detail below. As examples only the following are given for their varied and varied meanings: z. To rubber body that z. B. used as an intermediate storage facility for vibrating machines and experience a noticeable increase in temperature due to internal friction, from cracks, e.g. B. to preserve vent holes, this can according to the invention be designed in such a way that they only take on the shape under which the load their stress is lowest at the edges.

2. Um Bauteile, insbesondere band- oder Balkenförmige, die um die Querschnittslängsachse verbogen werden sollen, vor Anrissen zu bewahren, kann -sein Querschnitt, unbeansprucht, im Gebiet der Kantenumlenkungen mindestens auf der Zugseite in Richtung auf die stets geradlinig verlaufende Biegeachse um so viel von einer Parallelen zu dieser abweichend begrenzt werden, daß bei der vorgesehenen Betriebsbeanspruchung keine konkave Querschnittsbegrenzung entsteht.2. To components, in particular ribbon or bar-shaped, around the The longitudinal axis of the cross-section should be bent, to protect it from cracks, can -be Cross-section, unstressed, in the area of the edge deflections, at least on the tension side in the direction of the always straight bending axis by so much of one Parallels to this are limited differently that with the intended operational load no concave cross-section limitation arises.

3. Um Bauteile in Wendelform, die auf Torsion und bzw. oder Biegung beansprucht werden, wie z. B. Pufferfedern, vor Anrissen in Gebieten zu bewahren, die durch die Verformung besonders hoch beansprucht werden, können diese nach der Wicklung entgegengesetzt zu ihrer vorgesehenen Belastung plastisch vorverformt, im Fall der in ihrer Wicklungsachse auf Druck zu beanspruchenden Pufferfedern also plastisch gezogen und durch Erwärmung od. dgl. in dieser Gestalt spannungsfrei gemacht werden.3. To components in helical form that are subject to torsion and / or bending are claimed such. B. buffer springs to protect against cracks in areas, which are particularly highly stressed by the deformation, these can after the The winding is plastically pre-deformed in the opposite direction to its intended load, in the case of the buffer springs that are to be subjected to pressure in their winding axis plastically drawn and made stress-free in this shape by heating or the like will.

Der unter 2 genannte Anwendungsbereich soll nachstehend an Hand der schematischen Fig. t bis 3 der Zeichnung näher behandelt werden..The scope named under 2 is to be used below on the basis of schematic Fig. t to 3 of the drawing are dealt with in more detail.

In Fig. r ist der Querschnitt eines bandförmigen Bauteiles, z. B. eines Federblattes, in zwei verschicdenen Formen dargestellt. Auf der rechten Seite der Abbildung ist angenommen, daß die waagerechte Begrenzung des Querschnittes bis zur Kantenumlenkung im unbeanspruchten Zustand geradlinig verläuft. Bei einer Verbiegung des Bauteiles um die mittlere, dünn ausgezogene Biegeachse in einem solchen Sinne, daß der Querschnitt oben auf Zug und unten auf Druck beansprucht wird, würden sich die Kanten, wie gestrichelt angedeutet, hochstellen, so daß am äußersten Ende der Zugseite eine unerwünschte Spannungsspitze entsteht, die bei häufig wiederholter Beanspruchung zum Bruch führen kann. Im beanspruchten Zustand würde sich die Biegeachse nach der Zugseite hin geringfügig parallel verschieben, wie auf der rechten Seite der Fig. r strichpunktiert dargestellt ist.In Fig. R is the cross section of a band-shaped component, for. B. a spring leaf, shown in two different forms. On the right side The figure is assumed that the horizontal delimitation of the cross-section up to runs in a straight line for edge deflection in the unstressed state. In the event of a bend of the component around the central, thinly drawn out bending axis in such a sense, that the cross-section is subjected to tensile stress at the top and compressive stress at the bottom, would turn out to be the edges, as indicated by dashed lines, raise, so that at the extreme end of the On the tension side, an undesirable stress peak arises, which is often repeated Stress can lead to breakage. In the stressed state, the bending axis would be move slightly parallel towards the pulling side, as on the right-hand side the Fig. r is shown in phantom.

Auf der linken Hälfte der Fig. r .ist die Querschnittsbegrenzung erfindungsgemäß in unbeanspruchtem Zustand im Gebiet der Kantenumlenkungen auf der Zugseite in Richtung zur Biegeachse des Querschnitts hin abgebogen, während auf der Druckseite des Querschnitts die Begrenzung sich entsprechend von der Biegeachse entfernt. Wird ein im unbeanspruchten Zustand so begrenzter Querschnitt nun in der gleichen Weise, wie für die rechte Querschnittshälfte beschrieben, auf Biegung beansprucht, so hebt sich ebenso wie dort das Querschnittsende in der gestrichelt gezeichneten Weise aufwärts, was mit einer entsprechenden Spannungsverteilung verbunden ist. Die Begrenzung des Querschnitts im unbeanspruchten Zustand kann nun so berechnet oder empirisch ermittelt werden, daß bei einer bestimmten für ihn vorgesehenen Beanspruchung, mindestens auf der Zugseite, auch am Querschnittsende eine zur Biegeachse etwa parallele Begrenzung entsteht und somit keine höheren Randspannungen auftreten als im übrigen Teil des Querschnitts. Bei Beginn der Beanspruchung liegt die dünn ausgezogen- gezeichnete Biegeachse des Querschnitts etwas tiefer, als für die rechte Querschnittshälfte angenommen wurde, und verlagert sich mit zunehmender Beanspruchung etwas nach oben, bis bei der vorgesehenen Höchstbeanspruchung die Biegeachse auf der Mitte des dann etwa rechteckig geformten Querschnitts liegt. Die Verformung ist wieder gestrichelt gezeichnet, die Biegeachse des verformten Querschnitts wieder strichpunktiert.On the left half of FIG. R, the cross-sectional limitation is according to the invention in the unstressed state in the area of the edge deflections on the tension side in the direction bent towards the bending axis of the cross-section, while on the pressure side of the cross-section the limitation moves away from the bending axis accordingly. Will one in the unclaimed State so limited cross-section now in the same way as for the right one Half of the cross-section described, stressed on bending, so stands out as well there the end of the cross-section upwards in the manner shown in dashed lines, what with a corresponding voltage distribution is connected. The limitation of the cross-section in the unstressed state can now be calculated or determined empirically, that with a certain load intended for him, at least on the Tension side, also at the end of the cross-section, a boundary approximately parallel to the bending axis arises and thus no higher edge stresses occur than in the rest of the Cross-sectional. At the beginning of the load, the thin line is shown The bending axis of the cross-section is slightly lower than for the right half of the cross-section was assumed, and shifts slightly upwards with increasing load, up to the intended maximum stress the bending axis on the middle of the then is approximately rectangular shaped cross-section. The deformation is again dashed drawn, the bending axis of the deformed cross-section again dash-dotted.

Durch eine der Verformungsrichtung entgegengesetzte Gestaltung von übertriebenem Ausmaß läßt sich übrigens erreichen, daß die größten Druckspannungen an den Enden des Querschnitts auch bei der vorgesehenen größten Biegebeanspruchung größer bleiben als die größte Zugspannung, wodurch der Werkstoff noch besser ausgenutzt werden kann.By designing in the opposite direction to the deformation direction Incidentally, it can be achieved to an exaggerated extent that the greatest compressive stresses at the ends of the cross-section even with the intended greatest bending stress remain greater than the greatest tensile stress, whereby the material is used even better can be.

In Fig. 2 ist beispielsweise ein Querschnitt dargestellt, wie er etwa für Spiralfedern zur Energiespeicherung, z. B. bei Uhren oder Spielzeugen, in Frage kommt. In größenmäßig übertriebener Darstellung ist auf der rechten Hälfte der Abbildung die erfindungsgemäße Begrenzung des Querschnitts im unbeanspruchten, auf der linken Hälfte im beanspruchten Zustand dargestellt. Wie an der rechten Querschnittshälfte erkennbar, nimmt hier die Bandstärke im unbeanspruchten Zustand nur auf der Zugseite in nächster Nähe des Querschnittsendes allmählich ab, und zwar wiederum so, daß im links gezeichneten, beanspruchten Zustand des Querschnitts zugseitig keine konkave Begrenzung und daher keine höhere Randspannung entsteht als im übrigen Bereich des Querschnitts. Die Verschiebung der Biegeachse von der unbeanspruchten (rechte Hälfte) zur beanspruchten (linke Hälfte) Ouerschnittsform ist angedeutet.In Fig. 2, for example, a cross section is shown, such as for coil springs for energy storage, e.g. B. in clocks or toys in question comes. Exaggerated in size is on the right half of the figure the inventive limitation of the cross section in the unclaimed, on the left Half shown in the stressed state. As on the right half of the cross-section recognizable, the band strength only increases on the tension side in the unstressed state in the immediate vicinity of the end of the cross section gradually, again so that In the stressed state of the cross-section shown on the left, there is no concave on the tension side Limitation and therefore no higher edge stress than in the rest of the area Cross-sectional. The shift of the bending axis from the unstressed (right half) to the claimed (left half) cross-section shape is indicated.

In Fig. 3 endlich ist, ebenfalls in übertriebener Darstellung, als weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ein Querschnitt auf der rechten Hälfte im unbeanspruchten, auf der linken Seite im beanspruchten Zustand dargestellt, wie er ebenfalls für Spiralfedern zur Energiespeicherung oder für Schwingungsfedern in Frage kommen kann. In diesem Beispiel nimmt die Bandstärke im unbeanspruchten Zustand an den Enden von beiden Seiten (Zug- bzw. Druckseiten) her ab, und zwar in bezug auf die Biegeachse asymmetrisch. Auf der linken Seite der Fig. 3 ist der Querschnitt in seiner höchsten Beanspruchungsstellung dargestellt, bei welcher die obere und die untere Begrenzung des Bandes mindestens annähernd symmetrisch geworden ist, so daß die zugehörigen Druck-und Zugspannungen etwa die gleichen Werte annehmen.In Fig. 3 is finite, also in an exaggerated representation, as further embodiment according to the invention a cross section on the right Half in the unstressed state, shown on the left in the stressed state, like him for spiral springs for energy storage or for vibration springs can come into question. In this example the tape thickness increases in the unused State at the ends from both sides (pull or pressure sides), namely asymmetrical with respect to the bending axis. On the left side of Fig. 3 is the Cross-section shown in its highest stress position, in which the The upper and lower boundaries of the band have become at least approximately symmetrical so that the associated compressive and tensile stresses assume approximately the same values.

Zur Herstellung von Bauteilen gemäß der Erfindung kann so vorgegangen werden, daß, z. B. von rechteckigen Querschnitten ausgehend, die erforderliche Querschnittsumlenkung oder -verjüngung in der Nähe der Querschnittlenden durch Ziehen, Walzen, Rollen und nachfolgendes Entspannen oder auch durch spanabhebende Bearbeitung bewirkt wird.This can be used to produce components according to the invention be that, e.g. B. starting from rectangular cross-sections, the required cross-section deflection or tapering in the vicinity of the cross-section ends by pulling, rolling, rolling and subsequent relaxation or by machining.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Component for elastic, preferably highly elastic, stress, e.g. B. made of steel, non-ferrous metal, rubber or plastic, characterized in that its cross-section, unstressed, in the area of the edge deflections opposite to the direction of deformation occurring during its stress is designed so that the most favorable cross-section is created when stressed at a certain level. z. Band-shaped or bar-shaped component according to claim i, in particular for stresses which result in bending about the longitudinal axis of the cross-section, characterized in that its cross-section, unstressed, in the area of the edge deflections on the tension side in the direction of the bending axis, on the compression side away from the bending axis by so much of a parallel to this is limited that, at least on the tension side, a cross-sectional limitation parallel to the bending axis only arises under the highest operational stress. 3. Band or bar-shaped component according to claim i, in particular spiral spring for energy storage, for. B. for clocks or toy drives, characterized in that its cross-section, unstressed, is limited in the area of the edge deflection only on the tension side in the direction of the bending axis by so much of a parallel to this that there is no concave cross-section limitation at the highest operational stress arises. 4. Band or bar-shaped component according to claim i, in particular spiral spring for energy storage or vibration spring, for. B. for clocks or toy drives, characterized in that its cross-section, unstressed, in the area of the edge deflections on both sides (pull or push sides) in the direction of 'on the bending axis so. much of a parallel to this is limited, so that no concave cross-section delimitation occurs under the highest operational stress. Publications considered: Lehotzky, Uhrenkunde, Wien, 1949, S. Tob; German patent specification No. 802 363.