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Herstellungsmethode für Torsionsfedern mit Vorspannung und Wickelvorrichtung
dafür Die Erfindung betrifft eine Methode ur Herstellung von Torsionsfedern mit
Vorspannung sowie einer VJickelvorrichtung dafür.
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Es ist bekannt, daß beim Wickeln von Federstahldraht mit kreisförmigem
Querschnitt um einen Dorn, das so erfolgt, daß die nebeneinander liegenden Wicklungen
des Federstahldrahtes auf der Pheripherie des Dornes dicht aneinander liegen, ein
noch im Wickeln befindlicher Teil desFederstahldrahtes gegen eine Seite eines bereits
gewickelten Teiles derart gepreßt wird, daß der Federstahldraht dem Dorn so zugeführt
wird, daß die Ebene der Aufgabe des Federstahldrahtes der von einem Ablaufhaspel
auf den Dorn gezogen wird, quer zur Achse des Dornes verluft, wobei der Haspel in
Richtung auf dem bereits gewickelten Teil gedreht und dem Draht gleichzeitig eine
Spannung mitgegeben wird.
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Es hat sich aus der Erfahrung gezeigt, daß durch solches Wickeln der
Torsionsfeder eine Vorspannung mitgegeben wird, wobei das Maß der Vorspannung abhängig
ist von dem Wicklungswinkel zwischen der Aufgabeebene des!Fiderstahldrahtes und
der Achse des Dornes sowie von dem Ausmaß der Spannung, die dem!Zderstahldraht mitgegeben
wird.
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Die Art und Weise wie die Vorspannung durch solches Wikkeln in die
Toonsfeder hereingebracht wird, ist bisher noch nicht therretisch geklärt.
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Es wurde hierzu eine Hypothese aufgestellt wie diese nachstehend vom
Erfinder beschrieben ist und wie sie der Erfindung vorangestellt werden soll. Wenn
nämlich der Federstahldraht um den Dorn gewickelt wird, bildet sich eine Torsionsspannung
in dem Federstahldraht aus, ändert jedoch seine Form über die elastische Grenze
hinaus, so daß ein geringe Menge von Spannung vor dem Glühen verbleibt und danach
fast ganz beseitigt ist. Es wird jedoch angenommen, daß beim Wikkeln in der Art
wie vorher beschrieben, die Torsionsfeder eine Torsionsspannung beibehält, die als
Vorspannung wirkt. Mit anderen Worten, die in Fig. 1 dargestellt, wenn die Torsionsspannung
der Aufgabeebene des Federstahldrahtes mitgeteilt wird, wobei eine Kraf-t F gegen
den bereits gewickelten Teil des Federstahldrahtes wirkt und wobei in einem Winkel
Q entlang einem vertikalen Schnitt senkrecht zur der Achse des Dornes gedreht wird
die Kraft F sich unterteilt in eine Kraft f1 die vertikal zu der Oberfläche des
Dornes wirkt und einer Kraft f2 die vertikal zu der Oberfläche des bereits gewickelten
Teils wirkt, so daß sich als Ergebnis ein Torsionsmoment M2 in dem noch unter Wicklung
befindlichen Teil des Federstahldrahtes entwickelt.
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Das Moment M2 wirkt im Uhrzeigersinne mit Bezug auf die Achse des
bereits gewickelten Teils und sein Wert ist
Dabei ist,4 das Modul der Gleitreibung und r der Radius des senkrechten Teils des
Federstahldrahtes. Ein Torsionsmoment M1 das sich beim Wickeln des Federstahldrahtes
um den Dorn in diesem entwickelt wirkt in entgegengesetztem Uhrzeigersinne mit Bezug
auf die Achse des noch in der Wicklung befindlichen Teils. Man nimmt dahe an, daß
eine Torsionsspannung die von einem Wert M1 - M2 definiert ist
in
dem Federstahldraht beibehalten wird. Dabei ist die Richtung der beibehaltenen Spannung
die gleiche wie die in der der Federstahldraht um den Dorn gewickelt wird, so daß
die Spannung als Vorspannung in der Richtung wirkt, in der die Torsionsfeder sich
zusammenzieht.
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Das Ausmaß der Vorspannung ist somit begrenzt durch den Winkel Q und
die Kontaktkraft fl. Jedoch ist das Wikkeln bei einem Winkel von mehr als 45° unmöglich,
und der fi el wird darüber hinaus erweitert in Verbindung mit der Abnahme des Federungsindex
D/d worin D ein Spulendurchmesser und d der Durchmesser des Federstahldrahtes darstellt,
und zwar trotz der Tatsache, daß mit der Verringerung des Federungsindexes ü/d die
Vorspannung sich bei konventionellen Methoden erhöht. Dementsprechend ist zwangsläufir
das Ausmaß der Vorspannung auf einen unzureichenden Jert begrenzt.
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In einer Hinsicht der Erfindung ist eine Methode zur Uerstellung von
Torsionsfedern gekennzeichnet durch folgende Stufen: Das Wickeln eines Federstahldrahtes
um einen Dorn und die gleichzeitige Nitgabe einer Torsionsspannung in einer derartigen
Drehrichtung das diese derjenigen gleich ist in welcher der Federstahldraht um den
Dorn gewickelt wird, wobei eine hohe Vorspannung in der Torsionsfeder verbleibt.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht die Wikkelvorrichtung.zur
Herstellung von Torsionsfedern aus einem Dorn, der einen Aufbau besitzt, einem drehbaren
Dorn, der drehbar in einem Lager gelagert ist, das an dem genannten Aufbau befestigt
ist sowie einer Antriebsvorrichtung durch welche der Dorn angetrieben wird, einem
Haspel mit einem Ständer, einem drehbaren Rahmen,
der drehbar am
Ständer befestigt ist und im Abstand von dem Dorn angeordnet ist sowie einem Haspel
der drehbar auf dem genannten drehbaren Rahmen befestigt ist und eine Vorrichtung
durch welche die Torsionsspannung dem Federstahldraht mitgeteilt wird, wobei die
Achse des drehbaren Rahmens im wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Achse
des Dornes angeordnet ist und der drehbare Rahmen eine Auslauföffnung besitzt, die
auf ihrer Achse am Ende des genannten Rahmens gegenüber dem genannten Rahmen der
dem genannten Dorn gegenüber liegt, angeordnet ist, so daß der Federstahldraht der
auf dem Haspel vorhanden ist, eine Torsionsspannung durch Drehung des Rahmens mittels
der Vorrichtung erhält, wenn er durch die Auslauföffnung auf den Dorn gewickelt
wird.
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Entsprechend der Wickelvorrichtung der Erfindung kann die genannte
Vorrichtung durch welche im Federstahldraht ein Torsionsmoment erzeugt wird aus
einer Getriebevorrichtung aufgebaut sein, welche bewirkt, daß der drehbare Rahmen
im Zusammenspiel mit dem Haspel sich mit einem bestimmten Geschwindigkeitsverhältnis
dreht, wobei die Drehung des Haspels abhängig ist von der Abwikkelgeschwindigkeit
vom Haspel durch die Drehung des Dorns.
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Die Erfindung dürfte im einzelnen besser verstanden werden von der
nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit. den beiliegenden Zeichnungen.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung, die einen Dorn und einen
Federstahldraht zeigt, der um den Dorn herumgewickelt ist. Die Figur erklärt die
beschrieberle konventionelle Methode durch welche der fertigen Torsionsfeder eine
Vorspannung mitgegeben wird.
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Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung, die das Verfahren für
das Wickeln des Federstahldrahtes entsprechend der Erfindung erläutert.
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Fig. 3 ist ein Grundriß einer Wickelvorrichtung entsprechend einer
Ausbildungsform der Erfindung.
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Fig. 4 ist ein Aufriß der in Fig. 3 dargestellten Wickelvorrichtung.
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Fig. 5 ist ein Seitenaufriß, der in Fig. 3 dargestellten Wickelvorrichtung
Fig. 6 ist ein Teilvertikalschnitt der in Fig, 3 dargestellten Wickelvorrichtung.
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Fig. 7 ist eine aus praktischer Beobachtung gewonnene Graphik auf
der die Spannung und die Durchbiegung bei Torsionsfedern angegeben ist, die nach
dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurden, und zwar vor dem Glühen bei niedriger
Temperatur.
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Fig, 8 ist eine aunspZrautia,ctezr^eabachtung gewonnene
Graphik,
die die Spannung und die Durchbiegung bei den Torsionsfedern angibt nach dem Glühen
bei niedriger Temperatur.
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Fig. 9 zeigt eine Torsionsfeder, die entsprechend der Methode der
Erfindung gefertigt wurde, Fig, 2 zeigt eine Vorrichtung mit Dorn, die einen Aufbau
3 besitzt, ein Lager 2 sowie einen drehbaren Dorn 1 der drehbar im Lager 2 angeordnet
ist sowie eine fiaspelvorrichtung, die einen Haspel 4 besitzt, der in Entfernung
von dem Dorn angebracht ist und Federstahldraht 5 enthält. Die Vorrichtung mit Dorn
ist ferner versehen m einer Kurbelwelle 6, einem Kurbelarm 7a, der an einem Ende
an der Kurbelwelle befestigt ist und einem Griff 7, der an dem Kurbelarm befestigt
ist, wobei die Kurbelwelle 6 mit dem Dorn in Verbindung steht. Zunächst wird Federstahldraht
5 von dem IIaspel zu dem Dorn gezogen und das vordere Ende des Federstahldrahtes
wird starr um den Dorn wie in Fig. 2 dargestellt gewickelt.
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Dann wird der Federstahldraht im Uhrzeigersinne gedrallt durch Drehung
des Haspels 4 um die Achse des Federstahldrahts und gleichzeitig nebeneinander durch
Drehung des Dornes und der Kurbelwelle im Uhrzeigersinne aufgewickelt.
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In diesem Falle liegEn die angrenzenden Windungen des Federstahldrahtes
dicht beieinander. Nach Beendigung des Wickelns wird der aufgewickelte Federstahldraht
in Form einer Spiralfeder von dem Dorn gezogen und das vordere Ende des Federstahldrahtes
abgeschnitten. Beide Enden des Federstahldrahtes werden zu haken geformt wie vorher
wie in Fig. 9 dargestellt bei niedriger Temperatur gekühlt wird.
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Derartige gestellte halbfertige Federprodukte werden jeweils vor dem
Glühen bei niedriger Temperatur hinsichtlich ihrer Durchbiegung gemessen. Ferner
werden die Federhalbprodukte erneut gemessen hinsichtlich ihrer Durchbiegung nach
dem Glühen bei niedriger Temperatur. Das Ergebnis dieser Messungen ist dargestellt
in Fig. 7 und 8.
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Die in Fig. 7 und g 8 eingetragenen Linien zeigen wieviel Durchbiegung
der Federhalbprodukte oder der Federprodukte bei einer beliebigen Belastung vorhanden
ist, wenn eine bestimmte gegebene Torsionsspannung dem Federstahldraht während des
Wickeln mitgegeben wird.
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Die Federprodukte oder die halbprodukte, die bei diesem Experiment
verwendet wurden, bestehen aus 0,65 - 0,95 Gewichtsprozente Kohlenstoff, 0,12 -
0,30 Gewichtsprozente Silizium, 0,30 - 0,90 Gewichtsprozent Mangan, weniger als
0,30 Gewichtsprozent Phosphor, weniger als 0,30 Gewichtsprozent Schwefel und weniger
als 0,20 Gewichtsprozent Kupfer und sind weiterhin so gemessen, daß der Durchmesser
des Federstahldrahtes d 0,5 mm beträgt, der Durchmesser der Spule D 4,8 mm, die
freie Länge der fertigen Feder Lo 18,8 mm, der Radius des Hakens R 2,15 mm, die
Federwicklungen N 28 und der Außendurchmesser der Feder Do 5,3 mm wie dargestellt
in Fig. 9.
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Der dem Federstahldraht mitgegebene Torsionswinkel wird nach der nachstehenden
Formel berechnet.
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Darin ist : Torsionswinkel (radial) L: Länge der Federstahlebene (mm)
: Torsionsbelastung (kg/mm2)
G: modul der Querelastizität (kg/mm²)
d: Der Durchmesser des Federstahldrahtes (mm) Z: Querschnittsmodul.
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Der modul der Querelastizität G von jedem der Teststücke der Federprodukte
die für die Messung benutzt wurden, ist 8,400 kg/mm², wenn der Durchmesser des Federstahldrahtes
d 0,5 mm beträgt. Wie in Fig, 7 und 8 dargestellt und nachstehend in der Tabelle
erläutert, verändert sich die Vorspannung jedes der Teststücke in Übereinstimmung
mit der Stärke der Torsionsspannung, die in jedes der Teststücke hineingebracht
wurde bezogen auf Zugfestigkeit von 0 %, 10 %, 30 % und 45 %.
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Torsionsspannung J (kg) Vorspannung vor dem Glühen 0.11 0.165 0.355
0,46 (kg) nach dem Glühen 0.06250.1 0,185 0.25 Darin ist S die Zugfestigkeit der
Teststücke der Federprodukte.
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Wenn die Stärken der Federspannungen jeweils auf eine der Zugfestigkeit
von 10 %, 30 % und 45 % aufgebracht werden, werden die Federprodukte entsprechend
der Erfindung jeweils in einer Vorspannung gehalten, die eine höhere Festigkeit
aufweist, als die der Vorspannung der bisher bekannten Federprodukte die so war,
daß die Festigkeit der Torsionsspannung auf eine Zugfestigkeit von 0 % aufgebracht
wurde.
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Beispielsweise hat die erstere die vielfache Festigkeit als die letztere,
wenn der gewickelte Federstahldraht noch nicht geglüht worden ist, wie dies herkömmlicher
Weise
geschieht oder die zweifache Festigkeit gegenüber der letzteren,
wenn der gewickelte Federstahldraht bereits bei niedriger Temperatur geglüht worden
ist.
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Bezugnehmend auf Fig, 3 bis 6 besteht eine Wickelvorrichtung entsprechend
der Erfindung aus einer Vorrichtung mit Dorn, einer Haspelvorrichtung sowie einer
Vorrichtung durch welche das Torsionsmoment auf den Federstahldraht aufgebracht
wird, Die Vorrichtung mit Dorn besitzt einen Aufsatz 101 und einen drehbaren Dorn
102 der drehbar in einem Lager 103 liegt, das an dem Aufsatz befestigt ist. Die
Haspelvorrichtung dient zur Aufgabe des Federstahldrahtes an den Dorn und besteht
aus einem Ständer 104, einem drehbaren Rahmen 105, der drehbar auf dem Ständer befestigt
ist und im Abstand vom Dorn angebracht ist sowie einem Haspel 107, der drehbar auf
dem Rahmen 105 befestigt ist. Die Achse des drehbaren Rahmens liegt im wesentlichen
in senkrechter Richtung zur Achse des Dornes und ein paar Wellen 109 und 110 ragen
an den Seiten des Rahmens 105 hervor und sind in der Achse des Rahmens angeordnet,
Der Drehbare Rahmen besitzt eine Aufgabeöffnung 106, die in der Achse des Rahmens
am Ende des Rahmens gegenüber dem genannten Dorn liegt. Der Ständer 104 besitzt
ein paar angehobene Teile 104a und 104b zwischen denen der drehbare Rahmen 105 mittels
der Wellen 109 und 110 drehbar befestigt ist.
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Zur Abstützung des Haspels 107 im Rahmen 105 ist eine Welle 111 für
den Haspel im Rahmen in seinem Mittelteil befestigt und in senkrechter Richtung
zur horizontalen Achse des Rahmens angeordnet. Der Haspel 107 ist drehbar um die
Welle 111 und besteht aus einem Außenhaspel 107a und einem Innenhaspel 107b, der
einen Federstahldraht 112 enthAlt. Ein Ausbalancierungsgewicht 113 ist an der genannten
Welle all an dessen Ende befstigts um das Schwerpunktszentrum von dem rotierenden
Rahmen, dem
Haspel und dem Ausbalancierungsgewicht auf die horizontale
Achse zu bringen, Ein Führungshaspel 114 ist drehbar auf einer Abstützung 115 befestigt,
die in einem drehbaren Rahmen 105 nahe der Auslauföffnung 106 angeordnet ist und
liegt parallel zur Welle 111. Die WellellO liegt im Lager 116, das an dem angehobenen
Teil 104b befestigt ist, wobei das Lager 116 von einem Getriebekasten 117 abgedeckt
ist, der an dem angehobenen Teil 104b befestigt ist, Eine Vorrichtung 108 durch
welche das Torsionsmoment in dem Federstahldraht erzeugt wird, besteht aus Kegelrädern
118 und 119 tbertragungswelle 120 und 127, einem Paar Lager 121 und 122, Sitrnrädern
123, 126, 129, 130, 131, 132 und 133, einem Stirnrad mit großer Breite 124, einem
Kugellager 125 und einem Lager 128. Das Kegelrad 118 ist staar befestigt an der
Unterseite (gemäß Fig. 6) des Außenhaspels 107a und koaxial dazu angeordnet, Das
Kegelrad 119 ist auf der Transmissionswelle 120 befestigte die parallel zu der Horizontalachse
angeordnet ist und in Lagern 121 und 122 läuft, die im drehbaren Rahmen 105 befestigt
sind, Das Kegelrad 129 greift in das Kegelrad 118 und das Stirnrad 123 ist auf der
Welle 120 am gegenüberliegenden Ende zum Kegelrad 119 befestigt.
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Das Kegelrad 124 mit großer Breite ist drehbar montiert auf der Welle
110 mittels eines Kugellagers 125, das darauf angebracht ist und greift in die Räder
123 und 126. Das Kegelrad 126 ist auf der Welle 127 befestigt, die in dem Lager
128 lAuftX das auf dem angehobenen Teil 104b befestigt ist. Das Kegelrad 129 ist
auf der Welle befestigt, die parallel zu der horizontalen Achse liegt und greift
in das Stirnrad 130, das auf einer (nicht gezeigten) Welle befestigt ist. Das Zahnrad
130 greift in das Stirnrad 131, das auf einer (nicht
gezeigten)
Welle befestigt ist. Die Wellen (die oben mit nicht gezeigt beschrieben sind) liegen
parallel zur Welle 127. Das Stirnrad 132 ist auf Welle 110 befestigt und greift
in das Zahnrad 133, das koaxial auf der Welle mit dem Zahnrad 131 befestigt ist.
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Die Vorrichtung 108 wird dann betätigt, um die Drehung des Außenhaspels
107a auf die Welle 110 im Getriebeverhältnis zu betragen, das durch den Getriebemechanismus
gekennzeichnet ist. Ein Rohr 134 ist auf dem drehbaren Rahmen zur Führung des Federstahldrahtes
112 vom Innenhaspel zum Außenhaspel angeordnet.
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Der Federstahldraht, der auf einem Kern des Innenhaspels 107b gewickelt
ist, wird durch das Rohr 134 dem Kreisumfang des Außenhaspels zugeführt und dann
durch die Auslauföffnung 106 über die Peripherie des Führungshaspels 114. Der Federstahldraht
geht dann weiter durch die Aufgabeöffnung und wird in Richtung auf den Dorn 102
geführt.
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Zwischen der Aufgabedffnung und dem Dorn befindet sich eine Maschine
135, die den abgewickelten Federstahldraht gerade richtet sowie ein paar Rollen
136 und 137, welche den Federstahldraht dem Dorn zuführen.
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Im praktischen Betrieb wird zunächst das vordere Ende des Federstahldrahtes
starr um den Dorn gewickelt und dann nacheinander um den Dorn durch Drehung des
Dornes der durch einen (nicht gezeigten) Motor derart angetrieben wird, daß die
nebeneinander liegenden Wicklungen des Federstahldrahtes auf der Peripherie des
Dornes in dichtem Kontakt zueinander stehen. In diesem Falle wird der Haspel 107
um die Welle 1t1 gedreht durch Ziehen des Drahtes und der drehbare Rahmen 105 wird
dann um die
horizontale Achse in koaxialem Verhältnis zu den Wellen
109 und 110 im Übersetzungsverhältnis durch den Getriebemechanismus gedreht. Dadurch
wird dem sich aufwickelnden Stahldraht ein Torsionsmoment mitgegeben.
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Bei dieser Anordnung kann anstelle des Getriebemechanismus die Vorrichtung
108 durch eine geeignete Vorrichtung zum Antrieb des drehbaren Rahmens in synchroner
Drehung ersetzt werden entsprechend dem des Dorns im gewählten Drehverhältnis.