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Die Erfindung betrifft ein Antivibrationselement,
insbesondere in einem tragbaren, handgeführten Arbeitsgerät wie einer
Motorkettensäge,
einem Freischneider oder dgl. der im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Gattung.
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Aus der
US 5,368,107 ist ein Antivibrationselement
mit einer Schraubenfeder bekannt. Die Schraubenfeder ist an ihren
Enden mittels eines Preßsitzes
an einem elastischen Führungselement festgelegt.
Die Dämpfungswirkung
dieses Antivibrationselements ist aufgrund der linearen Kennlinie
in jedem Belastungszustand gleich. Aus Vibrationsgründen ist
es wünschenswert,
daß das
Antivibrationselement in unbelastetem Zustand eine geringe Federkonstante
aufweist, während
bei Belastung das Element möglichst
steif, die Federkonstante also möglichst
hoch sein soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Antivibrationselement der gattungsgemäßen Art zu schaffen, das in
unterschiedlichen Belastungszuständen
eine unterschiedliche Federkonstante besitzt.
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Diese Aufgabe wird ein Antivibrationselement
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Schraubenfeder ist an ihrem Endabschnitt
festgelegt. In unbelastetem Zustand weist der an den Endabschnitt
in Richtung auf die Mitte der Schraubenfeder angrenzende Randabschnitt
zur Führung
Spiel auf. Das Spiel kann radial und/oder axial sein. Die Windungen
des Randabschnitts tragen somit zur Federwirkung bei. Bei Verformung
der Feder unter Belastung wird das Spiel überwunden und die Windungen
im Randabschnitt legen sich mindestens teilweise an die Führung an
und tragen dadurch nicht mehr zur Federwirkung bei. Dadurch ist die
Federsteifigkeit der Schraubenfeder erhöht. Durch unterschiedliche
Ausgestaltung der Führung läßt sich
so eine auf den Anwendungsfall angepaßte, belastungsabhängige Dämpfungswirkung
erzielen. Die Anpassung der Federsteifigkeit kann richtungsabhängig erfolgen,
beispielsweise dadurch, daß axial und
radial unterschiedliches Spiel vorgesehen ist.
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Zweckmäßig ist der Endabschnitt mit
Formschluß an
der Führung
festgelegt. Es ist vorgesehen, daß der Endabschnitt sich über eine ¾-Windung
bis zwei Windungen, insbesondere über etwa 1 ¼ Windungen der Schraubenfeder
erstreckt. Dadurch ist die Schraubenfeder ausreichend festgelegt.
Gleichzeitig ist die Anzahl der federnden Windungen bei vorgegebener
Federlänge
vergleichsweise groß.
Der Randabschnitt erstreckt sich vorteilhaft über etwa 1 bis vier Windungen.
Die Federsteifigkeit kann so ausreichend variiert werden. Gleichzeitig
ist eine ausreichende Beweglichkeit der Feder im nicht geführten Bereich
gewährleistet.
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Um in unterschiedlichen Richtungen
unterschiedliche Federsteifigkeiten zu erzielen, ist vorgesehen,
daß die
beiden Enden der Schraubenfeder gegeneinander verdreht sind, insbesondere
etwa um eine halbe Windung. Um eine ausreichende Variation der Federkonstante
zu ermöglichen,
ist vorgesehen, daß die
Schraubenfeder an beiden Endabschnitten mit Spiel im Bereich des
Randabschnitts geführt
ist.
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Zweckmäßig ist die Führung an
einem ins Innere der Schraubenfeder ragenden Stopfen ausgebildet,
der zweckmäßig eine
Aufnahme für
ein Befestigungsmittel aufweist. Auch eine Führung an der Außenseite
der Schraubenfeder kann zweckmäßig sein.
Die Führung,
die durch den Stopfen gebildet sein kann, ist vorzugsweise austauschbar,
so daß eine
Anpassung der Federkennlinie durch Auswahl einer entsprechenden
Führung
bzw. eines entsprechenden Stopfens oder auch ein Austausch der Stahlfeder
möglich
ist. Der Benutzer hat so die Möglichkeit,
die Vibrationsdämpfung
den persönlichen Anforderungen
oder auch dem Einsatzfall entsprechend anzupassen und in einfacher
Weise verschleißbehaftete
Teile auszutauschen. Die Führung am
Stopfen ist vorteilhaft als wendelförmige Nut ausgebildet, in der
die Windungen der Schraubenfeder geführt sind. Die Montage der Führung in
der Schraubenfeder kann so durch einfaches Einschrauben bewerkstelligt
werden. Eine derartige wendelförmige Nut
ist einfach und mit geringen Fertigungstoleranzen herstellbar. Zweckmäßig nimmt
im Randabschnitt der Abstand des Nutgrunds zur Längsmittelachse der Schraubenfeder
mit zunehmender Entfernung vom Endabschnitt ab. Das Spiel im Randabschnitt
nimmt somit in Richtung auf die Mitte der Schraubenfeder zu. Bei
steigender Belastung und daraus resultierender zunehmender Verformung
legen sich kontinuierlich mehr Windungen an der Führung an,
so daß die
Federkonstante entsprechend der Abnahme des Abstands zunimmt. Hierdurch
wird ein gutes Führungsverhalten
des Arbeitsgeräts
erzielt.
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Vorteilhaft weist die Nut einen trapezförmigen Querschnitt
auf. Dieser ist einfach herstellbar. Zweckmäßig schließen die Flanken der Nut mit
der Längsmittelachse
der Schraubenfeder einen Winkel ein, der kleiner als 90° ist, insbesondere
etwa 30° bis 80° beträgt. Mit
zunehmender Verformung der Schraubenfeder nimmt das Spiel in axialer
Richtung dadurch ab. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß die Nut
im Querschnitt kreisbogenförmig
verläuft.
Hierdurch wird ein anderer Verlauf der Federsteifigkeit erreicht.
Durch die Variation des Nutquerschnitts lassen sich unterschiedlichste
Verläufe
der Federsteifigkeit in Abhängigkeit
des Verformungswegs und der Verformungsrichtung realisieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Antivibrationselement in unbelastetem Zustand,
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2 einen
Längsschnitt
durch das Antivibrationselement aus 1,
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3 eine
Führung
des Antivibrationselements aus 2 bei
unbelasteter Schraubenfeder,
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4 das
Führungselement
aus 3 bei belasteter
Schraubenfeder,
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5 eine
perspektivische Darstellung des Antivibrationselements aus 1 bei einachsiger Verformung,
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6 einen
Schnitt durch das Antivibrationselement in 5,
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7 das
Antivibrationselement aus 1 bei
zweiachsiger Verformung,
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8 einen
Schnitt durch das Antivibrationselement aus 7,
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9 eine
perspektivische Darstellung des Antivibrationselements aus 1 bei Verformung und Stauchung
in Längsrichtung,
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10 einen
Schnitt durch das Antivibrationselement aus 9,
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11 das
Antivibrationselement aus 1 bei
Verformung und Dehnung,
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12 einen
Schnitt durch das Antivibrationselement aus 11,
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13 eine
Schnittdarstellung eines Stopfens mit einer Schraubenfeder 2,
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14 ein
Kraft/Weg-Diagramm für
den Stopfen aus 13,
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15 eine
Darstellung der Federsteifigkeit über der Verformung für den Stopfen
aus 13,
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16 bis 23 Ausführungsvarianten für die Führung in
Schnittdarstellung.
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Das in 1 in
perspektivischer Ansicht dargestellte Antivibrationselement 1 besitzt
eine Schraubenfeder 2, die beidseitig an jeweils einem
Stopfen 3, 4 geführt ist, der vorteilhaft austauschbar
angeordnet ist. Wie auch die Schnittdarstellung in 2 zeigt, ragen die Stopfen 3, 4 ins
Innere der Schraubenfeder 2. Jeder Stopfen 3, 4 weist
eine wendelförmige
Nut 9, 10 auf, die die Führung der Schraubenfeder 2 bildet. Die
Schraubenfeder 2 ist in ihren Endabschnitten 7, 8 formschlüssig in
der Nut 9, 10 geführt. Die Endabschnitte 7, 8 erstrecken
sich zweckmäßig über eine ¾-Windung
bis zwei Windungen, insbesondere über etwa 1 ¼ Windungen der Schraubenfeder 2.
Die Anzahl der Windungen wird dabei von den in 1 dargestellten Enden 5 und 6 der
Schraubenfeder 2 gemessen. An die Endabschnitte 7 und 8 schließen sich
Randabschnitte 11 und 12 an, die sich zweckmäßig über etwa
eine bis vier Windungen erstrecken. An den Randabschnitten 11 und 12 ist
die Schraubenfeder 2 mit Spiel in der Nut 9 bzw. 10 geführt.
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Die im Stopfen 3 ausgebildete
Nut 9 besitzt einen trapezförmigen Querschnitt. Der Nutgrund 15 verläuft etwa
parallel zur Längsachse 13 der
Schraubenfeder 2. Die Flanken 16 und 17 begrenzen
die Nut 9 in Richtung der Längsachse 13. Die Flanken 16 und 17 sind
gegenüber
der Längsachse 13 um
einen Winkel α geneigt.
Entsprechend weist die im Stopfen 4 ausgebildete Nut 10 einen
parallel zur Längsachse 13 verlaufenden
Nutgrund 18 sowie zur Längsachse 13 um
den Winkel α geneigte
Flanken 19 und 20 auf. Der Winkel α ist kleiner
als 90° und
beträgt
insbesondere etwa 30° bis
80°. Der
Nutgrund 15 bzw. 18 weist zur Schraubenfeder 2 Spiel
b auf. Mit steigendem Abstand vom Endabschnitt 7 bzw. 8 vergrößert sich
das Spiel b. Wie in 2 dargestellt,
vergrößert sich
das Spiel b im Verlauf einer halben Windung der Schraubenfeder 2 auf
das Spiel b'. Hierbei verkleinert sich der in 3 dargestellte Abstand a des Nutgrunds 15 zur
Längsachse 13 der
Schraubenfeder auf den Abstand a'. Die Linie 23, die durch
den Verlauf des Nutgrunds 15 im Randabschnitt 1 gebildet
ist, läuft
somit in Richtung auf die Mitte der Schraubenfeder 2 keglig zu.
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In axialer Richtung weist die Schraubenfeder 2 zur
Flanke 16 das Spiel c und zur Flanke 17 das Spiel
d auf. Die Schraubenfeder 2 besitzt im Randabschnitt 11 zum
Stopfen 3 somit in radialer und in axialer Richtung Spiel.
Entsprechendes Spiel weist die Schraubenfeder 2 zum Stopfen 4 im Randabschnitt 12 auf.
Die Stopfen 3 und 4 können jedoch auch unterschiedlich
ausgebildet sein, so daß die
Randabschnitte 11 und 12 in axialer und/oder radialer
Richtung unterschiedliches Spiel zu den Stopfen 3 und 4 aufweisen
können.
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Bei einer in 4 dargestellten Verformung der Schraubenfeder 2 verringert
sich der Abstand der Schraubenfeder 2 zur Führung 9 auf
der Biegeaußenseite 21.
Die Schraubenfeder 2 liegt, wie in 4 dargestellt, am Nutgrund 15 an.
Die anliegende Windung trägt
nicht mehr zur Federwirkung bei. Die Anzahl der federnden Windungen
wird verkleinert und somit die Federsteifigkeit der Schraubenfeder 2 erhöht. Auf
der Biegeinnenseite 22 vergrößert sich das Spiel im Nutgrund 15 auf
das Spiel b''. Die Schraubenfeder 2 liegt an der ersten
Flanke 16 an, während das
Spiel d' zur zweiten Flanke 17 gegenüber dem unbelasteten Zustand
vergrößert ist.
Durch einfachen Austausch des Stopfens kann das die Federcharakteristik
bestimmende Spiel und damit die Progression geändert werden, so daß der Benutzer
die Möglichkeit
hat, das Antivibrationselement 1 in seiner Charakteristik
und Progression seinen eigenen Bedürfnissen oder dem Einsatzfall
entsprechend anzupassen.
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Auch ist ein einfacher Austausch
der Schraubenfeder selbst möglich,
so daß eine Änderung
der Federcharakteristik oder ein Austausch aufgrund Verschleiß möglich ist.
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Zur Fixierung, beispielsweise in
einem tragbaren, handgeführten
Arbeitsgerät,
ist ein Ende der Schraubenfeder an einem ersten und ein zweites Ende
der Schraubenfeder an einem zweiten Gehäuseteil festgelegt. Zur Fixierung
der Schraubenfeder an den nicht dargestellten Gehäuseteilen
weisen die Stopfen 3, 4 Längsbohrungen 14 auf,
die zur Aufnahme eines Befestigungsmittels dienen. Dies kann beispielsweise
ein in die Längsbohrung 14 ragender
Stift sein. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß die Längsbohrung 14 mit
Innengewinde versehen ist und zur Fixierung eine Schraube in einen
Stopfen 3 oder 4 eingeschraubt wird. Das erste
Gehäuseteil
kann beispielsweise ein mit dem Antriebsmotor des Arbeitsgeräts verbundenes
Bauteil sein, während
das zweite Gehäusebauteil
zweckmäßig mit
dem Handgriff des Arbeitsgeräts
verbunden ist.
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In 5 und 6 ist das Antivibrationselement 1 senkrecht
zur Längsmittelachse 24 des
Stopfens 3 und der Längsmittelachse 25 des
Stopfens 4 verformt. Bei der Darstellung in den 5 und 6 beträgt die Verformung 7 mm in Richtung
der X-Achse. Die Längsmittelachse 25 des
Stopfens 4 ist somit um 7 mm in Richtung der X-Achse gegenüber der
Längsmittelachse 24 des
Stopfens 3 versetzt. Wie in 6 dargestellt,
verläuft
die Z-Achse in Richtung
der Längsmittelachsen 24 und 25 und
die Y-Achse erstreckt
sich senkrecht in die Blattebene hinein. Durch die Verformung wird
auf der Biegeinnenseite 22 der Abstand der Schraubenfeder 2 zu
den Stopfen 3 und 4 im Nutgrund vergrößert. An
der Flanke 16 der Nut 9 liegt die Schraubenfeder 2 an,
während
zur Flanke 17 Spiel besteht. Entsprechendes gilt für die Biegeinnenseite 22 am
Stopfen 4. Auf der Biegeaußenseite 21 liegt
die Schraubenfeder 21 an den Stopfen 3 und 4 jeweils
an. Die Anzahl der federnden Windungen der Schraubenfeder 2 ist
dadurch verkürzt
und die Federsteifigkeit gegenüber
dem unbelasteten Zustand erhöht.
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In den 7 und 8 ist das Antivibrationselement 1 bei
einer Verformung in X-Richtung von 7 mm und in Y-Richtung von -7
mm dargestellt. Die Längsmittelachse 24 des
Stopfens 3 weist somit zur Längsmittelachse 25 des
Stopfens 4 sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung
einen Abstand von 7 mm auf. Auch hier liegen die Windungen auf der
Biegeaußenseite 21 an
den Stopfen 3 und 4 jeweils an, so daß die Anzahl
der federnden Windungen gegenüber
dem unbelasteten Zustand verringert und die Federkonstante erhöht ist.
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In den 9 und 10 ist das Antivibrationselement 1 zusätzlich zur
Verformung in X-Richtung um 7 mm und in Y-Richtung um -7 mm in Richtung
der Z-Achse um 5 mm verkürzt
und in den 11 und 12 zusätzlich um 5 mm verlängert. Wie
in 10 dargestellt, ist
bei einer starken Verformung und Verkürzung des Antivibrationselementes
die Federkonstante der Schraubenfeder 2 weiter verringert.
Dies wird dadurch erreicht, daß in
einem an den Randbereich 11 angrenzenden Bereich 54 der
Schraubenfeder 2 die Windungen der Schraubenfeder 2 auf
Block liegen. An den Stopfen 3 und 4 liegen die
Windungen nach wie vor an. Im Gegensatz dazu weisen bei der in den 11 und 12 dargestellten Verlängerung des Antivibrationselementes 1 die
Windungen der Schraubenfeder 2 bereits in den Randabschnitten 11 und 12 radiales
Spiel b und axiales Spiel c und d auf. Die Federkonstante der Schraubenfeder 2 ist
somit bei dem in den
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11 und 12 dargestellten Verformungszustand
kleiner als bei dem in den 9 und 10 Verformungszustand.
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In 13 ist
ein Stopfen 26 mit einer Nut 27 dargestellt, in
der eine Schraubenfeder 2 geführt ist. Die Nut 27 besitzt
etwa kreisbogenförmigen
Querschnitt, der in einem Randbereich 11 der Schraubenfeder 2 in
axialer und radialer Richtung ein Spiel e zur Schraubenfeder 2 aufweist.
In 14 ist das Kraft/Weg-Diagramm
für ein
Antivibrationselement mit einem Stopfen 26 dargestellt
und in 15 der Verlauf
der Federkonstante C über
dem Weg s. Im Bereich 30 verläuft die Kraft F zum Weg s,
wie durch die Linie 28 angedeutet, etwa konstant. In diesem Bereich
der Verformung sind die Windungen in dem Randbereich 11 und 12 der
Schraubenfeder 2 gegenüber
der Führung
beweglich, weisen also Spiel zur Nut 27 auf. In den angrenzenden
Bereichen 32 legen sich die Windungen der Schraubenfeder 2 ausgehend
vom Endabschnitt 7 und 8 in den Randbereichen 11 und 12 mehr
und mehr an die Führung
an. Die zur Verformung der Schraubenfeder 2 notwendige
Kraft steigt im Bereich 32 überproportional an. Der Verlauf
der Federkonstante C ist in 15 durch
die Linie 29 angedeutet. Wie in 15 dargestellt, verläuft die Federkonstante C im
Bereich 31, der dem Bereich 30 in 14 entspricht, etwa konstant. Bei zunehmender
Verformung steigt die Federkonstante C in den Bereichen 33,
die den Bereichen 32 in 14 entsprechen,
an. Liegen alle Windungen im Randbereich an der Führung an,
so bleibt die Federkonstante C in den Bereichen 35 konstant.
Im entsprechenden Bereich 34 der Linie 28 bleibt
die zur Verformung notwendige Kraft F proportional zum Verformungsweg
s.
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Die Nut, in der die Schraubenfeder 2 im Randbereich
geführt
ist, kann unterschiedlichste, auf den Anwendungsfall angepaßte Querschnittsformen aufweisen.
Die in 16 im Querschnitt
dargestellte Nut 36 besitzt an einem oberen Bereich 55 senkrecht zur
Längsachse 13 der
Schraubenfeder 2 verlaufende Flanken 56 und 57.
In einem daran anschließenden
unteren Bereich 58 besitzt die Nut 36 einen kreisförmigen Querschnitt.
Bei geringer Verformung befindet sich die Schraubenfeder 2 im
oberen Bereich 55 der Nut 36 und besitzt zu den
Flanken 56 und 57 axiales Spiel f. Bei einer Verformung
der Schraubenfeder 2 und einer dadurch bedingten Verringerung
des radialen Spiels verringert sich auch das axiale Spiel f auf
einen Wert f', sobald die Schraubenfeder 2 sich im unteren
Bereich 58 befindet. Die Federsteifigkeit C nimmt dadurch
bei Verformung der Schraubenfeder 2 stark zu.
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In 17 ist
eine Nut 37 mit trapezförmigem Querschnitt
dargestellt. Die Flanken 52 und 53 der Nut 37 sind
gegenüber
der Längsachse 13 der Schraubenfeder 2 um
einen Winkel β geneigt,
der etwa 45° entspricht.
Durch die Variation des Winkels β kann
die Zunahme der Federsteifigkeit C bei Verformung der Schraubenfeder 2 eingestellt
werden.
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In 18 ist
eine Nut 38 dargestellt, die in einem oberen Bereich 59 parallel
zueinander verlaufende Flanken 61 und 62 aufweist,
die senkrecht zur Längsachse 13 der
Schraubenfeder 2 verlaufen. In einem unteren Bereich 60 ist
die Nut 38 kreisbogenförmig
ausgebildet. Die Schraubenfeder 2 ist in der Nut 38 mit
radialem, jedoch ohne axiales Spiel geführt.
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19 zeigt
eine Nut 39 mit etwa quadratischem Querschnitt. Die Schraubenfeder 2 weist
zu den Flanken 63 und 64 und zum Nutgrund 65 Spiel
g auf. Der Abstand zwischen Feder und Nut kann dabei in allen Richtungen
gleich oder je nach Richtung unterschiedlich sein. Auch rechteckige
Nutquerschnitte können
vorteilhaft sein.
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In 20 ist
eine Nut 40 dargestellt, die in einem oberen Bereich 66 nur
geringes axiales Spiel aufweist. Die Flanken der Nut 40 verlaufen
in diesem Bereich senkrecht zur Längsachse der Schraubenfeder 2 und
parallel zueinander. Die Schraubenfeder 2 ist zwischen
den Flanken in axialer Richtung eng geführt. In einem unteren Bereich 67 erweitert
sich die Nut 40 in axialer Richtung, so daß bei zunehmender Verformung
das Spiel in axialer Richtung steigt, während das Spiel in radialer
Richtung durch den sich verringernden Abstand abnimmt.
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21 zeigt
eine Nut 41, die in einem oberen Bereich 68 großes axiales
Spiel, in einem mittleren Bereich 69 sehr geringes axiales
Spiel und in einem unteren Bereich 70 großes axiales
Spiel besitzt. Hierzu ist im mittleren Bereich 69 die Nut 41 eingeschnürt. Die
Federsteifigkeit steigt somit nicht stetig an, sondern nimmt wieder
ab, sobald sich die Schraubenfeder 2 im unteren Bereich 70 befindet.
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Die Schraubenfeder 2 ist
in der in 22 dargestellten
Nut 42 in einem oberen Bereich 71 in axialer Richtung
eng geführt.
Axiales Spiel ist im oberen Bereich 71 nicht gegeben. In
einem unteren Bereich 72 erweitert sich die Nut 42 zunächst, um
sich dann wieder zu verengen. Die Nut 42 hat etwa sechseckförmigen Querschnitt
im unteren Bereich 72.
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Die in 23 dargestellte
Nut 43 hat etwa kreisbogenförmigen Querschnitt. Der Querschnitt
der Nut 43 kann jedoch auch elliptisch ausgebildet sein. Je
nach gewünschter Änderung
der Federkonstante C und der zugelassenen maximalen Verformung können andere
Querschnitte der Führung
zweckmäßig sein.
Der Querschnitt kann dabei auf die gewünschte Progression der Kennlinie
des Antivibrationselements angepaßt werden. Anstatt zur Führung einen Stopfen
vorzusehen, kann die Schraubenfeder 2 auch an ihrem Umfang
geführt
sein. Über
die Konizität
der Nutwendel kann die Progression des Antivibrationselements ebenfalls
eingestellt werden. Eine richtungsabhängige Progression läßt sich
dadurch erreichen, daß die
Enden 5 und 6 der Schraubenfeder gegeneinander
verdreht sind. Auch eine in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich
tiefe und/oder breite Nutwendel kann vorteilhaft sein.