DE19514701A1 - Feder mit konischer Innen- und Außenwicklung mit axial verschieblichem Kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Federanordnung. Insbesondere be­ trifft sie eine verbesserte Federanordnung, die die Wirkungs­ weise einer Zugfeder mit der einer Druckfeder kombiniert, die durch die Längsbewegung eines Kolbens verursacht werden, der sich durch eine Doppelspiralfeder erstreckt.

Herkömmlich werden Spiralfedern als erschütterungsfreie Un­ terlage oder zum elastischen Entkoppeln verschiedener Bautei­ le oder Maschinenelemente verwendet. Üblicherweise wird die Spiralfeder zwischen einem Paar relativ zueinander bewegli­ chen Oberflächen oder Elementen angeordnet, die, wenn sie sich aufeinander zu bewegen, die Feder zusammendrücken. Ein Abfal­ len des Drucks dieser Elemente führt dazu, daß die Feder wie­ der ihre Ausgangsgröße annimmt. Die Elemente, zwischen denen die Feder zusammengedrückt ist, können aus einem kolbenähnli­ chen Bauteil, das innerhalb der Spiralfeder angebracht ist und diese hält, und einem Auflagebauteil bestehen. Die beiden Bauteile sind relativ zueinander beweglich, d. h. eines der Bauteile kann sich auf das andere zu und von diesem wegbewe­ gen.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Federanordnung bereitzustel­ len, die bei kompakter Bauweise große Kräfte aufnehmen kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Federanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Die Erfindung betrifft eine Spiralfeder mit einer Innenwick­ lung, die von einer Außenwicklung umgeben ist. Die Innenwick­ lung ist um einen kegelig ausgebildeten Kolben gewunden, der sich bei Längsbewegung innerhalb der ihn umgebenden Windungen an die Innenwicklung anschmiegt und diese federnd streckt, bevor er die Außenwicklung zusammendrückt. Dadurch wird die durch die Innenwicklung verursachte Zugwirkung mit der durch die Außenwicklung verursachten Druckwirkung kombiniert. Diese Doppel- oder Kombinationsspiralfederanordnung stellt, vergli­ chen mit herkömmlichen, viel verwendeten Spiralfedern, eine relativ kompakte, starke Feder dar.

Durch die Erfindung wird eine Spiralfeder bereitgestellt, die so gewickelt ist, daß eine Innenwicklung von einer einteilig damit ausgebildeten Außenwicklung umgeben ist. Die Federwick­ lungen sind koaxial um einen kegeligen Kolben angeordnet. Der Kolben, der die Form eines Kegels oder Kegelstumpfes besitzen kann, ist so angeordnet, daß er innerhalb der ihn umgebenden Federwicklungen längs bewegbar ist. Die Windungen der Innen­ wicklung der Spiralfeder, deren Durchmesser allmählich zuneh­ men, um die Kolbenoberfläche zu überziehen, schmiegen sich an die äußere, kegelig geformte oder abgeschrägte Oberfläche des Kolbens. Die Innen- und Außenwicklung sind einstückig ausge­ bildet und durch eine Übergangswicklung miteinander verbun­ den, die an einem radial nach außen ausgeformten Bund am grö­ ßeren Ende des Kolbens anschmiegt. Das freie Ende der Innen­ wicklung ist an einer festen Auflage verankert, während das freie Ende der sie umgebenden Außenwicklung sich an einer An­ lagefläche anliegt. Die Spiralfeder kann aus einem langge­ streckten, sich verjüngenden Draht gefertigt sein, dessen Querschnittsgröße allmählich entlang seiner Länge zunimmt, aber eine im wesentlichen gleichmäßige Querschnittsform be­ sitzt.

Sobald eine Kraft auf den Kolben ausgeübt wird, bewegt sich dieser längs innerhalb der ihn umgebenden Spiralfeder, legt sich eng an die ihn umgebenden Windungen der Innenfeder an, um diese zu dehnen oder zu strecken. Durch eine weitere Bewe­ gung des Kolbens legt sich die Übergangswicklung an den Bund des Kolbens an, so daß eine zusätzliche Bewegung des Kolbens die Außenwicklung zwischen Bund und Anlagefläche zusammen­ drückt. Somit bewirkt die Bewegung des Kolbens eine anfängli­ che Dehnung oder Streckung der Innenwicklung und ein sich daran anschließendes Zusammendrücken der Außenwicklung.

Ein Ziel der Erfindung ist, eine Federanordnung zu schaffen, die eine verbesserte, federnde Anordnung zum Vorspannen in­ nerhalb eines kompakten Raumes bereitstellt, dabei aber eine relativ preiswerte Feder verwendet. Das heißt, die sich durch die Bewegung des Kolbens in Richtung der Anlagefläche erge­ bende Federkraft nimmt aufgrund der Kombination von Innen- und Außenwicklung und dem Anschmiegen der Windungen der In­ nenwicklung an die Oberfläche des sich bewegenden Kolbens au­ ßerordentlich zu.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine relativ preiswerte, starke und einfach aufgebaute Federanordnung zu schaffen, die an Stellen, an denen relativ starke Federn erforderlich sind, verwendet werden kann. Beispielsweise kann diese Feder als Teil der Aufhängung oder der Radlagerung von Eisenbahnwagons oder als elastische Auflage für große und schwere Maschinen oder Behälter verwendet werden. Entsprechend kann diese Fe­ deranordnung auch an anderen Stellen eingesetzt werden, an denen hochbelastbare, kompakte Federn erforderlich sind.

Ferner ist ein Ziel der Erfindung, eine einfache Federanord­ nung zu schaffen, deren Federungsvermögen einen normal erwar­ teten Betrag deutlich übersteigt, wenn die Feder zwischen ei­ nem Paar relativ zueinander beweglichen Gegenständen zusam­ mengedrückt ist.

Diese und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeich­ nung ersichtlich. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer zusammengesetzten Federan­ ordnung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Federanordnung, bei der die Bauteile auseinandergenommen sind;

Fig. 3 eine Seitenansicht, die die Bewegung des Kolbens re­ lativ zu den Federwicklungen zeigt;

Fig. 4 eine vergrößerte, gebrochene Schnittansicht, die die Verjüngung des Drahtes darstellt, aus dem die Spi­ ralfeder hergestellt ist;

Fig. 5 eine geschnittene Ansicht einer Windung, deren Quer­ schnittsform konstant ist, deren Querschnittsgröße aber mit der Länge zunimmt; und

Fig. 6 eine Ansicht, die der in Fig. 5 gleicht, aber einen Federdraht mit mehreckiger Querschnittsform zeigt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Federanordnung mit einem ke­ geligen oder abgeschrägten Kolben 10. Der Kolben 10 kann im wesentlichen als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet seine um eine konische Außenfläche 11 bereitzustellen. Durch diese ke­ gelige oder abgeschrägte Ausführung besitzt der Kolben 10 ein schmales Ende 12 und ein großes Ende 13. Am großen Ende 13 ist ein sich radial nach außen erstreckender Bund 14 ausge­ bildet. Der Bund 14 kann entweder als vollständiger Ring, der den Kolben 10 umgibt, oder in Form von partiellen oder unter­ brochenen Bundelementen ausgebildet sein.

Der Kolben 10 ist innerhalb einer diesen umgebenden Doppel­ spiralfeder 15 angebracht. Vorzugsweise ist die Doppelspiral­ feder 15 aus einem längsgestreckten, sich verjüngenden Draht 16 (siehe Fig. 4) gefertigt. Der Draht kann aus einem ela­ stischen, drahtähnlichen Metall oder Kunststoffmaterial her­ gestellt sein. Vorzugsweise hat der Draht 16 eine im wesent­ lichen einheitliche Querschnittsform, deren Größe jedoch va­ riieren kann, um eine erwünschte Verjüngung entlang der Länge des Drahtes 16 zu schaffen. Die Querschnittsformen können, abhängig von den gewünschten Wirkungen, variiert werden. Bei­ spielsweise kann der Draht 16 eine kreisförmige Querschnitts­ form 17 (siehe Fig. 5) haben, alternativ kann er eine meh­ reckige Querschnittsform 18 (siehe Fig. 6) besitzen. Der Draht 16 kann jedoch auch eine im wesentlichen gleichmäßige Querschnittsgröße und -form über seine Länge haben.

Die Doppelspiralfeder 15 ist aus einer Innenwicklung 20 ge­ bildet, die von einer Außenwicklung 21 umgeben ist. Die zwei Wicklungen 20, 21 sind einstückig ausgebildet und durch eine Übergangswicklung 22 miteinander verbunden. Die Innenwicklung 21 nimmt über die Länge der Windung im Durchmesser zu, um sich während der Bewegung des Kolbens 10 an diesen eng anzu­ schmiegen und diesen zu erfassen. Die Außenwicklung 21 kann gleichfalls, ausgehend von der Übergangswicklung 22, zu einem freien Ende 27 der Außenwicklung 21 im Durchmesser zunehmen. Alternativ kann die Außenwicklung 21 einen im wesentlichen konstanten Wickeldurchmesser besitzen.

Wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt, legt sich die Über­ gangswicklung 22 an den Bund 14 des Kolbens 10 an, wenn der Kolben 10 innerhalb der ihn umgebenden Doppelspiralfeder 15 axial bewegt wird.

Ein freies Ende 25 der Innenwicklung 20, das die kleinste Querschnittsgröße des Drahtes 16 besitzt, ist an einer festen Verankerung oder Auflage 26 befestigt, während das freie Ende 27 der Außenwicklung 21 sich an eine Anlagefläche 28 anlegt oder mit dieser verbunden ist. Die Anlagefläche 28 kann in Größe und Form variieren. Sie ist zum Zwecke der Illustration als Oberfläche eines Ringes 29 ausgebildet. Entsprechend kann die feste Verankerung 26 am gleichen Ring oder einem benach­ barten Bauteil (nicht dargestellt) ausgebildet sein.

Der Kolben 10 kann mit einem Druckmittel 30 in Eingriff ste­ hen, das schematisch dargestellt ist. Wenn auf das große Ende 13 des Kolbens 10 Druck ausgeübt wird, bewegt sich der Kolben 10 längs oder axial innerhalb der ihn umgebenden Wicklungen 20, 21. Wenn der Kolben 10 bewegt wird, wie in Fig. 3 durch Pfeil 31 dargestellt, schmiegen sich die ihn umgebenden Win­ dungen der Innenwicklung 20 an die kegelige Außenfläche 11 des Kolbens 10 eng an. Eine fortgesetzte Längsbewegung des Kolbens 10 sorgt für ein Strecken oder Aufbringen einer Längskraft auf den Drahtabschnitt, der die Windungen defi­ niert, die am Kolben 10 anliegen. Dadurch wird eine Dehnung oder eine Kraft, ähnlich der Kraft bei einem Faßreifen, im Draht der Windungen verursacht, die den bewegenden Kolben 10 umgeben.

Eine fortgesetzte Bewegung des Kolbens 10 führt zu einem en­ gen Anschmiegen der Übergangswicklung 22 an den Bund 14. Die weitere Bewegung des Kolbens 10 führt zu einem Zusammendrücken der Außenwicklung 21 zwischen dem Bund 14 des Kolbens 10 und der Anlagefläche 28. Dadurch wird eine elastische Druck­ kraft geschaffen, die zu der federnden Dehnungskraft der In­ nenwicklung 20 hinzukommt. Wenn die Doppelspiralfeder 15 aus einem sich verjüngenden Draht gebildet ist, nimmt die Feder­ kraft entsprechend während der fortgesetzten Bewegung des Kolbens 10 innerhalb der Doppelspiralfeder 15 zu.

Durch die zusammengesetzte Federanordnung wird eine kompakte Vorrichtung geschaffen, die relativ preiswert und einfach im Aufbau ist. Die Federanordnung kann an Stellen verwendet wer­ den, die hohe Federkräfte erforderlich machen, aber der Platz für die Feder beschränkt ist. Somit können die Anwendungen für diese Anordnung variiert werden. Wie oben bereits er­ wähnt, sind Anwendungsbeispiele dieser Federanordnungen die Radaufhängung eines Eisenbahnwagons oder die Federn, die ver­ wendet werden, um Eisenbahnwagons zu trennen oder um die Kräfte aufzunehmen, die entstehen, wenn Eisenbahnwagons beim Aneinanderkuppeln aufeinanderprallen. Die Doppelspiralfeder kann aus einem Draht aus geeignetem Kunststoffmaterial, aus einem hohlen Kunststoff oder einem Metallmaterial hergestellt sein. Alternativ können die Doppelspiralfedern aus einer Mi­ schung aus gesintertem Metall und Kunststoffpulver herge­ stellt sein, deren Verwendung das Gewicht der Federanordnung verringert. Die Auswahl des jeweiligen Materials kann basie­ rend auf der erforderlichen Festigkeit und Elastizität und zur Begrenzung der Kosten durch den Fachmann erfolgen.

Die Größen und Formen der Doppelspiralfeder und der Kolben­ elemente können, abhängig vom jeweiligen Verwendungszweck und den dafür erforderlichen Federkräften, beträchtlich variiert werden.

Claims (10)

1. Federanordnung dadurch gekennzeichnet, daß ein axial ver­ schieblicher Kolben (10) mit im wesentlichen kegelförmi­ ger Außenfläche (11), mit einem schmalen Ende (12), mit einem großen Ende (13) und mit einem sich vom großen Ende (13) radial nach außen erstreckenden Bund (14) vorgesehen ist;
daß eine Feder vorgesehen ist, hergestellt aus einem längs gestreckten Draht (16) aus elastischem drahtähnli­ chem Material, der gewickelt eine Innenwicklung (20) und eine Außenwicklung (21) ausbildet, die einstückig durch eine Übergangswicklung (22) miteinander verbunden sind, wobei die Außenwicklung (21) die Innenwicklung (20) und den Kolben (10) umgibt und koaxial mit diesen verläuft;
daß die Innenwicklung (20) die Außenfläche (11) des Kol­ bens (10) ausgehend vom schmalen Ende (12) zum Bund (14) hin bedeckt und diese eng umgibt, wobei die Durchmesser der aufeinanderfolgenden Windungen der Innenwicklung (20) zunehmen, um dem Abschnitt der Außenfläche (11) des Kol­ bens (10) zu entsprechen, der durch die jeweilige Windung bedeckt ist;
daß die Übergangswicklung (22) benachbart zum Bund (14) angeordnet ist,
daß sich die Außenwicklung (21) im wesentlichen über die Länge des Kolbens (10) erstreckt und mit Abstand um den Kolben (10) und die Innenwicklung (20) angeordnet ist;
daß die Außenwicklung (21) ein freies Ende (27) besitzt, das an einer Anlagefläche (28) anliegt;
daß ein freies Ende (25) der Innenwicklung (20) mit einer Auflage (26) im Eingriff steht; und
daß der Kolben (10) und die Anlagefläche (28) relativ aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, um eine Druckkraft in im wesentlichen axialer Richtung des Kol­ bens (10) und der Wicklungen (20, 21) aufzubringen, wo­ durch sich die Windungen der Innenwicklung (20) eng an die Außenfläche (11) des Kolbens (10) anschmiegen, wenn sich der Kolben (10) innerhalb der Innenwicklung (20) re­ lativ bewegt, um die Innenwicklung (20) um die Außenflä­ che (11) des Kolbens (10) zu strecken und um die Außen­ wicklung (21) axial zwischen Bund (14) und Anlagefläche (28) zusammenzudrücken.

2. Federanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Draht (16) sich entlang seiner Länge verjüngt, wobei sich die Größe seiner Querschnitts­ form kontinuierlich ausgehend vom freien Ende (25) der Innenwicklung (20) zum freien Ende (27) der Außenwicklung (21) vergrößert.

3. Federanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Windungen der Au­ ßenwicklung (21) ausgehend von der Übergangswicklung (22) zum freien Ende (27) der Außenwicklung (21) stetig zuneh­ men.

4. Federanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Übergangswicklung (22), die die Innenwicklung (20) mit der Außenwicklung (21) eintei­ lig verbindet, so angeordnet ist, daß sie am Bund (14) des Kolbens (10) anliegt und von diesem in axialer Rich­ tung verschoben wird, nachdem sich die Windungen der In­ nenwicklung (20) eng an die Außenfläche (11) des Kolbens (10) anschmiegen und von dieser federnd gestreckt sind.

5. Federanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Draht (16) sich stetig entlang seiner Länge vom freien Ende (25) der In­ nenwicklung (20) zum freien Ende (27) der Außenwicklung (21), verjüngt, so daß seine Querschnittsform kontinu­ ierlich an Größe zunimmt.

6. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (16) einen im we­ sentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzt.

7. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (16) einen meh­ reckigen Querschnitt besitzt.

8. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jeder Windung der Außenwicklung (21) von Windung zu Windung, ausgehend von der Übergangswicklung (22), die am Bund (14) des Kol­ bens (10) anliegt, zum freien Ende (27), das an der Anla­ gefläche (28) anliegt, stetig zunimmt.

9. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagefläche (28) befe­ stigt und der Kolben (10) bei einer auf ihn aufgebrachten Belastung in Richtung zur Anlagefläche (28) bewegbar ist.

10. Federanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangswicklung (22), die die Innenwicklung (20) mit der Außenwicklung (21) einteilig miteinander verbindet, so groß ausgebildet ist, daß sie am Bund (14) des Kolbens (10) anliegt und von diesem axial verschoben wird, wenn sich die Innenwicklung (20) eng an die Außenfläche (11) des Kolbens (10) an­ schmiegt und von dieser gestreckt ist, wobei die Anlage­ fläche (28) befestigt und der Kolben (10) axial unter ei­ ner auf ihn wirkenden Kraft in axialer Richtung bewegbar ist.