WO2014015865A1 - Betätigungsvorrichtung - Google Patents

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Dominik Herkommer
Michael Mitariu-Faller
Christian Bahrmann
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/04—Wound springs
    • F16F1/047—Wound springs characterised by varying pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2236/00—Mode of stressing of basic spring or damper elements or devices incorporating such elements
    • F16F2236/06—Tension

Definitions

  • the invention relates to a tension spring made of a wire material having a plurality of helical turns.
  • helical compression springs are used in clutch disks or in dual-mass flywheels, which are arranged in windows between two disks arranged to rotate relative to one another in the torque flow.
  • Disc spring stacks are also known as energy accumulators for torque transmission systems which have a degressive force-displacement characteristic.
  • plate spring stacks have the property of friction between the individual plate springs of the disk spring stack, which impairs the characteristic of the plate spring stack.
  • tension springs are used in torque transmission systems, which have a linear characteristic or are composed of several springs. From DE 943 150 B tension springs are known which are formed from two tension springs and which are screwed into one another.
  • An embodiment of the invention provides a tension spring, which is made of a wire material having a plurality of helical turns, wherein the windings are divisible into at least two groups, wherein at least a first group of turns is formed such that the windings under a Vor - voltage to each other.
  • the force can only counteract the restoring force of a group of turns at a first force, because the group of turns with the bias as such is not involved in the restoring action, but remains homogeneously closed, as long as the bias is not overcome. Only after exceeding the bias, the windings of the group with bias from each other and take part in the restoring action. This causes that before the exceeding of the bias voltage, a spring characteristic with substantially linear characteristic results and after exceeding the bias voltage, the group of coils with bias results in a characteristic with a characteristic having a reduced slope.
  • two groups of windings to be arranged adjacent to one another in the axial direction, one group being formed as a first group of windings such that the windings rest against one another under a prestress and one group is formed as a second group of windings is, whose turns are spaced from each other or rest without bias to each other.
  • N1 is the number of turns of the first group and N2 is the number of turns of the second group and N1 is preferably equal to N2 or IN1 -N2I ⁇ 5.
  • first groups of windings are provided which are separated from each other by at least one winding without bias or by a second group of windings.
  • the one turn between the first groups of turns can be a proportional turn, a complete turn or more than one turn. This ensures that the transition between two groups with bias can be optimally achieved.
  • the wire material is a material with a round or ovalized cross-section. Thereby, an inexpensive wire material can be used that is easy to use in manufacturing.
  • the wire material has contact areas at which opposing turns could touch or touch, wherein the cross section of the wire material is flattened in the touch areas. As a result, the contact areas do not shift due to the bias.
  • FIG. 1 shows a schematic representation for explaining the tension spring according to the invention
  • Figure 2 is a characteristic of a tension spring according to the invention
  • Figure 3 shows an embodiment of a tension spring according to the invention
  • Figure 4 shows an embodiment of a tension spring according to the invention.
  • FIG. 1 shows a section of a coil spring in section, which is designed as a tension spring 1.
  • the two windings 2, 3 are applied with a bias to each other. This is illustrated by the fact that the next turn 5 would be wound after the turn 3 so as to occupy the punctured arrangement in the upper illustration of FIG. 1, if it were not prevented by the turn 3.
  • the winding 5 sets next to the winding 3 according to the lower illustration of Figure 1, wherein in the upper part of the image the dotted arrangement relative to the winding 3 has an intersection hi and the winding 5 with the dotted arrangement 6 in the lower part of Figure 1 has an overlap h 2 .
  • the intersection hi plus the intersection h 2 results in the sum of the diameter of the wire material 7 of the tension spring first
  • the tension spring 1 of Figure 1 is only partially shown to explain the preparation of the bias of the windings 2, 3 against each other.
  • the wire material 7 is shown in the embodiment of Figure 4 around.
  • the cross section could also be formed ovalized.
  • the contact regions of the respective adjacent turns 2, 3 could be flattened, so that no linear contact between the individual turns but a more flat contact would be present.
  • FIG. 2 shows a characteristic curve 10 of a tension spring 1, in which the force in kN is plotted against the elongation in mm. It can be seen that starting from an elongation From 0 mm to an elongation of about 2 mm, the characteristic has a first slope 1 1, wherein from the elongation of about 3 mm to the elongation of about 7 mm, the characteristic has a second pitch 12. The first slope 1 1 is steeper than the second slope 12. In the embodiment of Figure 2, the first slope 1 1 is about 0.172 kN / mm, the second slope 12 is about 0.056 kN / mm.
  • the slope of the tension spring without consideration of the biased areas is thus about three times as stiff as the tension spring, taking into account the biased areas and after overcoming the bias.
  • the transition between these two areas occurs from about 2 mm elongation of the tension spring, from about 0.3 kN tensile force.
  • FIG. 3 shows a section through a tension spring 20 according to the invention, the tension spring 20 having a first group 21 of turns and a second group 22 of turns.
  • the tension spring 20 is formed with turns 23, 24.
  • the group 22 windings 23 are arranged, which are spaced apart from each other, wherein there is no bias between the individual windings 23.
  • Windings 24 are provided in group 21, in which the windings 24 abut each other, so that adjacent windings 24 abut each other with a bias voltage.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the invention, again with a tension spring 30 is shown in section. It can be seen that the windings 31 are grouped into different groups 32, 33, 34 and 35, each group 32, 33, 34 and 35 being associated with two windings 31 each having a bias voltage abut each other. Between the groups 32, 33, 34 and 35 gaps 36 are provided between the windings 31, so that the groups 32, 33, 34 and 35 are separated from each other by windings 31 without bias.
  • the turns are first stretched without prestressing before the turns of the groups are stretched with prestress after exceeding the prestressing.
  • the turns of the groups are each in the form of a non-stretched block.
  • After exceeding the bias are quasi several springs with corresponding spring constants D1, D2, D3, DN, which are arranged in a series connection, between each of which a spring with spring constant Dx is arranged as a non-biased spring.
  • the reciprocal of the total spring constant D is then the sum of the reciprocal values of the individual spring constants D1, Dx, D2, Dx, etc. with:

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Abstract

Zugfeder (1, 20, 30) aus einem Drahtmaterial mit einer Mehrzahl von schraubenförmigen Windungen (2, 3, 23, 24, 31), wobei die Windungen in zumindest zwei Gruppen (21, 22, 32, 33, 34, 35) aufteilbar sind, wobei zumindest eine erste Gruppe (21) von Windungen (24) derart ausgebildet ist, dass die Windungen (24) unter einer Vorspannung aneinander anliegen.

Description

Betätigungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Zugfeder aus einem Drahtmaterial mit einer Mehrzahl von schraubenförmigen Windungen.
Bei Drehmomentübertragungseinrichtungen werden Kraftspeicher zur Drehmomentübertragung und Schwingungsdämpfung eingesetzt. So werden beispielsweise bei Kupplungsscheiben oder bei Zweimassenschwungrädern Schraubendruckfedern eingesetzt, die in Fenstern zwischen zwei zueinander verdrehbar angeordneten Scheiben im Drehmomentfluss angeordnet sind.
Auch sind Tellerfederstapel als Kraftspeicher für Drehmomentübertragungssysteme bekannt, die eine degressive Kraft-Weg-Kennlinie aufweisen. Allerdings weisen Tellerfederstapel die Eigenschaft der Reibung zwischen den einzelnen Tellerfedern des Tellerfederstapels auf, was die Charakteristik des Tellerfederstapels beeinträchtigt.
Auch werden Zugfedern bei Drehmomentübertragungssystemen verwendet, wobei diese eine lineare Kennlinie aufweisen oder aus mehreren Federn zusammengesetzt sind. Aus der DE 943 150 B sind Zugfedern bekannt, die aus zwei Zugfedern gebildet sind und die ineinander geschraubt sind.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Zugfeder als Kraftspeicher insbesondere für ein Drehmomentübertragungssystem zu schaffen, die einen degressiven Kennlinienverlauf aufweist aber dennoch einfach aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Zugfeder mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht eine Zugfeder vor, die aus einem Drahtmaterial gefertigt ist, mit einer Mehrzahl von schraubenförmigen Windungen, wobei die Windungen in zumindest zwei Gruppen aufteilbar sind, wobei zumindest eine erste Gruppe von Windungen derart ausgebildet ist, dass die Windungen unter einer Vor- spannung aneinander anliegen. Dadurch kann bei einer ersten Krafteinwirkung die Kraft nur entgegen der Rückstellkraft einer Gruppe von Windungen wirken, weil die Gruppe von Windungen mit der Vorspannung als solche nicht an der Rückstellwirkung beteiligt ist, sondern homogen geschlossen verbleibt, solange die Vorspannung nicht überwunden ist. Erst nach Überschreiten der Vorspannung heben die Windungen der Gruppe mit Vorspannung voneinander ab und nehmen an der Rückstellwirkung teil. Dies bewirkt, dass vor der Überschreitung der Vorspannung eine Federkennlinie mit im Wesentlichen linearer Charakteristik resultiert und nach Überschreiten der Vorspannung die Gruppe der Windungen mit Vorspannung ergibt sich eine Kennlinie mit einer Charakteristik, die eine reduzierte Steigung aufweist.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine zweite Gruppe von Windungen vorgesehen ist, deren Windungen voneinander beabstandet sind oder ohne Vorspannung aneinander anliegen.
Auch ist es zweckmäßig, wenn eine Mehrzahl von Gruppen von Windungen mit Vorspannung vorliegt, wobei die Vorspannung der Windungen in jeder Gruppe gleich ist oder in zumindest einzelnen Gruppen gegenüber zumindest einer anderen Gruppe variiert. Dadurch kann eine Kennlinie erzeugt werden, die sich durch eine vielfältig variierende Steigung kennzeichnet.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn zwei Gruppen von Windungen in axialer Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, wobei eine Gruppe als eine erste Gruppe von Windungen derart ausgebildet ist, dass die Windungen unter einer Vorspannung aneinander anliegen und wobei eine Gruppe als eine zweite Gruppe von Windungen ausgebildet ist, deren Windungen voneinander beabstandet sind oder ohne Vorspannung aneinander anliegen.
Auch ist es zweckmäßig, wenn N1 die Anzahl der Windungen der ersten Gruppe ist und N2 die Anzahl der Windungen der zweiten Gruppe ist und N1 bevorzugt gleich N2 ist oder IN1 -N2I < 5 ist. Dadurch wird eine Zugfeder erzeugt, die hinsichtlich ihrer Längendehnung der einzelnen Gruppen im Wesentlichen unproblematisch ist, weil keine der Gruppen im Vergleich zu einer anderen Gruppe eine übermäßige Längendehnung aufweist.
Auch ist es zweckmäßig, wenn zumindest zwei erste Gruppen von Windungen vorgesehen sind, die durch zumindest eine Windung ohne Vorspannung oder durch eine zweite Gruppe von Windungen voneinander getrennt sind. Dadurch kann auch eine einfache Zugfeder mit degressiver Kennlinie erzeugt werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn eine Mehrzahl von ersten Gruppen von Windungen vorgesehen sind, die jeweils durch zumindest eine Windung ohne Vorspannung oder durch eine zweite Gruppe von Windungen voneinander getrennt sind.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die eine Windung zwischen den ersten Gruppen von Windungen eine anteilige Windung, eine ganze Windung oder mehr als eine Windung sein kann. Dadurch wird erreicht, dass der Übergang zwischen zwei Gruppen mit Vorspannung optimal erreicht werden kann.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Drahtmaterial ein Material mit rundem oder ovali- siertem Querschnitt ist. Dadurch kann ein kostengünstiges Drahtmaterial verwendet werden, dass einfach in der Fertigung verwendbar ist.
Auch kann es zweckmäßig wein, wenn das Drahtmaterial Berührbereiche aufweist, an welchen sich gegenüberliegende Windungen berühren oder berühren könnten, wobei der Querschnitt des Drahtmaterials in den Berührbereichen abgeflacht ist. Dies führt dazu, dass die Berührbereiche sich aufgrund der Vorspannung nicht gegeneinander verschieben.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert:
Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Zugfeder, Figur 2 eine Kennlinie einer erfindungsgemäßen Zugfeder
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zugfeder, und
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zugfeder.
Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Schraubenfeder im Schnitt, die als Zugfeder 1 ausgebildet ist. Dabei ist in der Figur 1 im oberen Bildteil ein Abschnitt der Zugfeder 1 mit zwei Windungen 2, 3, gezeigt, die an einem Berührpunkt 4 aneinander anliegen. Die beiden Windungen 2, 3 liegen mit einer Vorspannung an aneinander an. Dies ist dadurch dargestellt, dass die nächste Windung 5 nach der Windung 3 so gewickelt wäre, dass sie die punktierte Anordnung in der oberen Darstellung der Figur 1 einnehmen würde, wenn die nicht durch die Windung 3 verhindert werden würde. Da dies aber auf Grund der Anwesenheit der Windung 3 nicht möglich ist, legt sich die Windung 5 neben die Windung 3 gemäß der unteren Darstellung der Figur 1 an, wobei im oberen Bildteil die punktierte Anordnung gegenüber der Windung 3 eine Überschneidung hi aufweist und die Windung 5 mit der punktierten Anordnung 6 im unteren Bildteil der Figur 1 eine Überschneidung h2 aufweist. Die Überschneidung hi plus die Überschneidung h2 ergibt in der Summe den Durchmesser des Drahtmaterials 7 der Zugfeder 1 .
Die Zugfeder 1 der Figur 1 ist nur ausschnittweise dargestellt, um die Herstellung der Vorspannung der Windungen 2, 3 gegeneinander zu erläutern. Im Querschnitt ist das Drahtmaterial 7 im Ausführungsbeispiel der Figur 4 rund dargestellt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte der Querschnitt auch ovalisiert ausgebildet sein. Auch könnten die Berührbereiche der jeweils aneinander liegenden Windungen 2, 3 abgeflacht sein, so dass kein linienförmiger Kontakt zwischen den einzelnen Windungen sondern ein mehr flächiger Kontakt vorhanden wäre.
Die Figur 2 zeigt eine Kennlinie 10 einer Zugfeder 1 , bei welcher die Kraft in kN über der Dehnung in mm aufgetragen ist. Dabei ist zu erkennen, dass ab einer Dehnung von 0 mm bis zu einer Dehnung von etwa 2 mm die Kennlinie eine erste Steigung 1 1 aufweist, wobei ab der Dehnung von etwa 3 mm bis zur Dehnung von etwa 7 mm die Kennlinie eine zweite Steigung 12 aufweist. Die erste Steigung 1 1 ist steiler als die zweite Steigung 12. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 beträgt die erste Steigung 1 1 etwa 0,172 kN/mm, wobei die zweite Steigung 12 etwa 0,056 kN/mm beträgt. Die Steigung der Zugfeder ohne Berücksichtigung der vorgespannten Bereiche ist somit etwa dreifach so steif als die Zugfeder unter Berücksichtigung der vorgespannten Bereiche und nach Überwindung der Vorspannung. Der Übergang zwischen diesen beiden Bereichen erfolgt ab etwa 2 mm Dehnung der Zugfeder, ab etwa 0,3 kN Zugkraft.
Die Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Zugfeder 20, wobei die Zugfeder 20 eine erste Gruppe 21 von Windungen aufweist und eine zweite Gruppe 22 von Windungen. In den beiden Gruppen 21 , 22 ist die Zugfeder 20 mit Windungen 23, 24 ausgebildet. In der Gruppe 22 sind Windungen 23 angeordnet, die beabstandet voneinander ausgebildet sind, wobei keine Vorspannung zwischen den einzelnen Windungen 23 vorliegt. In der Gruppe 21 sind Windungen 24 vorgesehen, bei welcher die Windungen 24 aneinander anliegen, so dass benachbarte Windungen 24 jeweils mit einer Vorspannung aneinander anliegen.
Bei Zugbeanspruchung der Zugfeder werden erst die Windungen 23 ohne Vorspannung gedehnt, bevor nach Übersteigen der Vorspannung auch die Windungen 24 gedehnt werden. Vor Erreichen der Vorspannung liegen die Windungen 24 als ungedehnter Block vor. Nach Überschreiten der Vorspannung liegen quasi zwei Federn mit zwei Federkonstanten D1 , D2 vor, die in einer Reihenschaltung angeordnet sind. Der Kehrwert der Gesamtfederkonstante D ist dann die Summe der Kehrwerte der einzelnen Federkonstanten D1 , D2 mit:
1/D = 1/D1 + 1/D2.
Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei wiederum eine Zugfeder 30 im Schnitt dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass die Windungen 31 in verschiedene Gruppen 32, 33, 34 und 35 gruppiert sind, wobei jede Gruppe 32, 33, 34 und 35 jeweils zwei Windungen 31 zugeordnet sind, die mit einer Vorspannung aneinander anliegen. Zwischen den Gruppen 32, 33, 34 und 35 sind Lücken 36 zwischen den Windungen 31 vorgesehen, sodass die Gruppen 32, 33, 34 und 35 jeweils durch Windungen 31 ohne Vorspannung untereinander getrennt sind.
Bei Zugbeanspruchung der Zugfeder werden erst die Windungen ohne Vorspannung gedehnt, bevor nach Übersteigen der Vorspannung auch die Windungen der Gruppen mit Vorspannung gedehnt werden. Vor Erreichen der Vorspannung liegen die Windungen der Gruppen jeweils als nicht gedehnter Block vor. Nach Überschreiten der Vorspannung liegen quasi mehrere Federn mit entsprechenden Federkonstanten D1 , D2, D3, DN vor, die in einer Reihenschaltung angeordnet sind, wobei zwischen ihnen jeweils eine Feder mit Federkonstante Dx als nicht vorgespannte Feder angeordnet ist. Der Kehrwert der Gesamtfederkonstante D ist dann die Summe der Kehrwerte der einzelnen Federkonstanten D1 , Dx, D2 , Dx, ... etc. mit:
1/D = 1/D1 + 1/Dx + 1/D2 + 1/Dx + ....
Auf diese Art können verschiedene Zugfedern mit unterschiedlichen Bereichen mit und ohne Vorspannung kombiniert werden, um eine vielfältig modulierte Federkennlinie zu erhalten.
Bezuqszeichenliste Zugfeder
Windung
Windung
Berührpunkt
Windung
Anordnung
Drahtmaterial
Kennlinie
Steigung
Steigung
Zugfeder
Gruppe
Gruppe
Windung
Windung
Zugfeder
Windung
Gruppe
Gruppe
Gruppe
Gruppe
Lücken

Claims

Patentansprüche
1 . Zugfeder (1 ,20,30) aus einem Drahtmaterial mit einer Mehrzahl von schraubenförmigen Windungen (2,3,23,24,31 ), wobei die Windungen in zumindest zwei Gruppen (21 ,22,32,33,34,35) aufteilbar sind, wobei zumindest eine erste Gruppe (21 ) von Windungen (24) derart ausgebildet ist, dass die Windungen (24) unter einer Vorspannung aneinander anliegen.
2. Zugfeder nach Anspruch 1 , wobei eine zweite Gruppe (22) von Windungen (23) vorgesehen ist, deren Windungen (23) voneinander beabstandet sind oder ohne Vorspannung aneinander anliegen.
3. Zugfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Gruppen (32,33,34,35) von Windungen mit Vorspannung vorliegt, wobei die Vorspannung der Windungen in jeder Gruppe gleich ist oder in zumindest einzelnen Gruppen gegenüber einer anderen Gruppe variiert.
4. Zugfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei Gruppen (21 ,22) von Windungen in axialer Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, wobei eine Gruppe als eine erste Gruppe von Windungen derart ausgebildet ist, dass die Windungen unter einer Vorspannung aneinander anliegen und wobei eine Gruppe als eine zweite Gruppe von Windungen ausgebildet ist, deren Windungen voneinander beabstandet sind oder ohne Vorspannung aneinander anliegen.
5. Zugfeder nach Anspruch 4, wobei N1 die Anzahl der Windungen der ersten Gruppe (21 ) ist und N2 die Anzahl der Windungen der zweiten Gruppe (22) ist und N1 bevorzugt gleich N2 ist oder IN1 -N2I < 5 ist.
6. Zugfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest zwei erste Gruppen (32,33,34,35) von Windungen vorgesehen sind, die durch zumindest eine Windung ohne Vorspannung oder durch eine zweite Gruppe von Windungen voneinander getrennt sind.
7. Zugfeder nach Anspruch 6, wobei eine Mehrzahl von ersten Gruppen (32,33,34,35) von Windungen vorgesehen ist, die jeweils durch zumindest eine Windung ohne Vorspannung oder durch eine zweite Gruppe von Windungen voneinander getrennt sind.
8. Zugfeder nach Anspruch 6 oder 7, wobei die eine Windung zwischen den ersten Gruppen (32,33,34,35) von Windungen eine anteilige Windung, eine ganze Windung oder mehr als eine Windung sein kann.
9. Zugfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Drahtmaterial ein Material mit rundem oder ovalisiertem Querschnitt ist.
10. Zugfeder nach Anspruch 9, wobei das Drahtmaterial Berührbereiche aufweist, an welchen sich gegenüberliegende Windungen berühren oder berühren könnten, wobei der Querschnitt des Drahtmaterials in den Berührbereichen abgeflacht ist.
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