Pierwszenstwo: 08. VI. 1967 Opublikowano: 25. IX. 1970 Niemiecka Republika Federalna 60371 KI. 47 a3, 1/34 MKP F 16 f, 1/34 CZYTELNIA Wspóltwórcy wynalazku: Franz Tónne, Josef Friedrichs Wlasciciel patentu: Ringfeder G.ni.b.H., Krefejd-Uerdingen (Niemiecka Republika Federalna) Sprezyna cierna Przedmiotem wynalazku jest sprezyna cierna, zlozona z zamknietego pierscienia zewnetrznego oraz z zamknietego lub przecietego pierscienia wewnetrznego, zaopatrzonych w stozkowe prze- suwalne nawzajem pod dzialaniem sil osiowych powierzchnie zetkniecia.Sprezyny cierne charakteryzuja sie zdolnoscia przejmowania duzych sil w niewielkiej prze¬ strzeni, jak równiez dobra zdolnoscia amorty¬ zacji, wskutek czego maja zastosowanie wszedzie tam, gdzie chodzi o przejmowanie i lagodzenie uderzen o duzej energii, w szczególnosci zas w zderzakach bocznych i sprzeglach cieglowo- -zderzakowych pojazdów szynowych, w budowle maszyn i urzadzen kopalnianych oraz w budowie samolotów i pojazdów drogowych.W znanych rozwiazaniach stozkowe powierzch¬ nie zetkniecia zewnetrznych i wewnetrznych pierscieni sprezyn ciernych maja te same katy nachylenia, przy czym pod dzialaniem sily osio¬ wej P przesuwaja sie wzajemnie po sobie wsku¬ tek czego pierscienie zewnetrzne i wewnetrzne poddawane sa dzialaniu odpowiednio naprezen rozciagajacych lub sciskajacych. Z punktu wi¬ dzenia teorii plastycznosci traktuje sie w tym przypadku sprezona sprezyne jak dwa znajdujace sie w stanie równowagi pierscienie oddzialywu¬ jace elastycznie na elastyczne podloze.Z matematycznego punktu widzenia nie da sie wystarczajaco dokladnie okreslic rozkladu napiec 10 15 w tych pierscieniach tak, by móc w wyniku ana¬ lizy tego rozkladu zapewnic zwiekszenie ich zy¬ wotnosci. Poza czynnikami technologicznymi jak sklad i struktura stali, jej obróbka cieplna, wla¬ snosci powierzchni i smarowanie, zasadnicze zna¬ czenie dla trwalosci tych elementów ma równiez okreslenie kata nachylenia stozka. Zadanie to mozna wykonac na podstawie dlugotrwalych ba¬ dan.Jak wiadomo, napiecia obwodowe powoduja powstanie w przekrojach pierscieni sil promie¬ niowych, które we wszystkich czesciach po¬ wierzchni obydwu pierscieni sa wzgledem siebie przeciwnie skierowane. Wypadkowe tych sil pro¬ mieniowych oddzialywuja w punktach ciezkosci Fsi powierzchni pierscienia wewnetrznego oraz w punkcie ciezkosci FSA powierzchni pierscienia zewnetrznego, tworzac moment obrotowy. W kon¬ cowym wyniku oddzialywanie to prowadzi do 20 dodatkowego zmniejszenia lub zwiekszenia sred¬ nicy pierscienia wewnetrznego lub zewnetrznego.W wyniku zwiazanego z tym wzrostu napre¬ zen mozna dojsc do odksztalcenia powierzchni czolowych pierscieni majacych w przekroju ten 25 sam kat stozka jeszcze przed osiagnieciem naj¬ wyzszego obciazenia sprezyny. Dla pierscienia we¬ wnetrznego poddanego dzialaniu naprezen sciska¬ jacych jest to konieczne z uwagi na zdolnosc dzia¬ lania sprezyny, natomiast w pierscieniu zewnetrz- 30 nym, który poddany jest naprezeniom rozciaga- 60371a 60371 4 jacym — zwiekszone naprezenia na obrzezu (w stosunku do naprezen wystepujacych w srodku pierscienia) prowadza wczesniej lub pózniej do pekniecia pierscienia, a tym samym do wyelimi¬ nowania z pracy obydwu elementów sprezyny.Znane jest równiez rozwiazanie sprezyny cier¬ nej, w którym pierscien wewnetrzny i zewnetrzny jest tak uksztaltowany, ze kazdy z nich jest za¬ opatrzony w dwie powierzchnie zetkniecia o róz¬ nych katach nachylenia, umozliwiajacych uzy¬ skanie progresywnego wzrostu jej charaktery¬ styki sprezystej. Stopniowanie powierzchni ze¬ tkniecia prowadzi przez zmniejszenie kata do uzyskania lepszego stosunku wlasnosci sprezy¬ stych do wysokosci sprezyny, zas przez zwieksze¬ nie kata do mozliwosci wiekszego scisniecia spre¬ zyny..W polozeniu zlozonym sprezyny pierscienie ob¬ ciazone sa w wyniku powyzszego stopniowania tylko w czesci powierzchni zetkniecia odpowiada¬ jacej wiekszemu katowi nachylenia. Powoduje to niedostateczny i nierównomierny rozklad napre¬ zen w przekroju poprzecznym pierscieni, przy czym w koncowym efekcie naprezenie rozciaga¬ jace pierscienia zewnetrznego prowadzi do od¬ ksztalcenia jego powierzchni czolowych.Ponadto znane sa równiez sprezyny cierne zlo¬ zone z uksztaltowanego wklesle pierscienia we¬ wnetrznego i wypuklo pierscienia zewnetrznego.W stanie nieobciazonym sprezyny — pierscienie stykaja sie ze soba w sposób liniowy, zas po jej obciazeniu zmieniaja sie promienie krzywizny pier¬ scieni i wystepuje ich zetkniecie powierzchniowe, przy czym pierscien zewnetrzny zostaje rozcia¬ gniety, zas wewnetrzny skurczony. W zestawio¬ nym polozeniu sprezyny wystepuje wskutek elastycznych wlasnosci pierscieni tylko czescio¬ we zetkniecie ich powierzchni, a tym samym wystepuje niedostateczny i nierównomierny roz¬ klad napiec w przekroju. W wyniku tego pier¬ scien zewnetrzny jest bardziej narazony w takich samych warunkach roboczych jak pierscien sprezyny ciernej wedlug niniejszego wynalazku.Zadaniem wynalazku jest skonstruowanie ta¬ kiej sprezyny ciernej zlozonej z zamknietego pierscienia zewnetrznego i zamknietego lub prze¬ cietego pierscienia wewnetrznego, w której zo¬ stalyby zrównowazone naprezenia w pierscieniu zewnetrznym, a tym samym odpowiednio pod¬ niesiona zywotnosc sprezyny. Zadanie to zgodnie z wynalazkiem rozwiazane zostalo w ten sposób, ze kat nachylenia pierscienia wewnetrznego jest mniejszy od kata nachylenia pierscienia zewne¬ trznego.Dzieki temu pierscien zewnetrzny nie jest do¬ datkowo obciazony na swej powierzchni czolowej, eliminujac niekorzystne skutki tego obciazenia.Na podstawie badan ustalono empirycznie, ze najkorzystniejsze warunki uzyskuje sie w przy¬ padku takiego skonstruowania pierscieni, gdy róznica ich katów nachylenia wynosi okolo 1°.Wynalazek wyjasniono przykladowo na rysun¬ ku, na którym fig. 1 przedstawia nienaprezona sprezyne cierna — wedlug znanego rozwiazania konstrukcyjnego — w przekroje poprzecznym, fig. 2 — sprezyne cierna wedlug fig. 1 napieta przy maksymalnym obciazeniu — w czesciowym przekroju odksztalconej postaci, fig. 3 — napieta sprezyne cierna wedlug wynalazku w czescio¬ wym przekroju, a fig. 4 — napieta sprezyne cier¬ na wedlug wynalazku w czesciowym przekroju.Sprezyna cierna przedstawiona na fig. 1 sta¬ nowi znane rozwiazanie i sluzaca do porównania z przedmiotem wynalazku zlozona jest z pierscie¬ nia zewnetrznego 1 i pierscienia wewnetrznego 2 o tym samym kacie nachylenia a. Sumaryczny kat stozka wynosi w tym przypadku dla obydwu pierscieni 2 a.Fig. 2 przedstawia te sama sprezyne, przy czym jej stozkowe powierzchnie zetkniecia la i 2a sa odksztalcone w stosunku do wystepujacych w sta¬ nie nieobciazonym sprezyny — w jej przekroju poprzecznym linii prostych. Odksztalcenie to jest wynikiem wystepowania dzialajacych w srodkach ciezkosci powierzchni Fsi i Fsa wypadkowych sil osiowych P oraz z tworzacych moment obrotowy sil promieniowych Pj i Pa.Wystepujace wskutek tego dodatkowe napre¬ zenia powoduja wzrost naprezen rozciagajacych na powierzchni czolowej 2b pierscienia zewnetrz¬ nego 2 i przedwczesne jego zniszczenie. Natomiast w pierscieniu wewnetrznym 1 w wyniku oddzia¬ lywujacych tego samego rodzaju obciazen wyste¬ puja naprezenia sciskajace jedynie w obrebie odksztalcen plastycznych.W przypadku sprezyny wedlug wynalazku przedstawionej na fig. 3 kat nachylenia a. pier¬ scienia wewnetrznego 1 jest mniejiszy od kata na¬ chylenia aa pierscienia zewnetrznego 2. Dzieki temu w stanie nieobciazonym sprezyny stworzona zostaje miedzy powierzchniami zetkniecia la i 2a pierscieni 1 i 2 klinowa szczelina 3 o kacie wierz¬ cholkowym 30' której ostrze skierowane jest kaz¬ dorazowo do srodka pierscienia zewnetrznego 2.Sprezyna przedstawiona w stanie obciazonym na fig. 4 wykazuje, ze dzieki zastosowaniu kata nachylenia a{ mniejszego od kata nachylenia a& powierzchnie zetkniecia la i 2a w przyblizeniu pozostaja nieodksztalcone. Wskutek róznicy ka¬ tów strona czolowa 2b pierscienia zewnetrznego pozostaje odciazona, w wyniku czego eliminuje «ie mozliwosc zniszczenia tego elementu.Przedmiot wynalazku daje w szczególnosci te korzysc, ze w porównaniu ze znanymi sprezyna¬ mi ciernymi umozliwia uzyskanie przy tych sa¬ mych obciazeniach znacznego zwiekszenia zy¬ wotnosci sprezyny. Na odwrót przy jednakowej zywotnosci umozliwia dzieki lepszemu wykorzy¬ staniu materialu znaczne zwiekszenie obciazen dopuszczalnych, a tym samym pracy sprezystej, która jak wiadomo wzrasta proporcjonalnie do kwadratu obciazenia. PL PLPriority: 08. VI. 1967 Published: 25. IX. 1970 German Federal Republic 60371 KI. 47 a3, 1/34 MKP F 16 f, 1/34 READING ROOM Inventors: Franz Tónne, Josef Friedrichs Patent owner: Ringfeder G.ni.bH, KreFEd-Uerdingen (German Federal Republic) Friction spring The subject of the invention is a friction spring, folded from a closed outer ring and from a closed or cut inner ring, provided with contact surfaces that can be moved over each other under the action of axial forces. Friction springs are characterized by the ability to absorb large forces in a small space, as well as good ability to cushion They are used wherever it is a question of absorbing and mitigating high-energy impacts, in particular in side bumpers and clutch-buffer couplings of rail vehicles, in the construction of mining machinery and equipment, and in the construction of airplanes and road vehicles. ¬ No contact between the outer and inner rings of the springs They have the same inclination angles, but under the action of the axial force P they shift each other, as a result of which the outer and inner rings are subjected to the action of tensile or compressive stresses, respectively. From the point of view of the theory of plasticity, a spring is treated in this case as two equilibrium rings acting elastically on a flexible substrate. From a mathematical point of view, it is not possible to accurately determine the tension distribution 10 15 in these rings so that be able, as a result of an analysis of this decomposition, to ensure an increase in their vitality. In addition to technological factors such as the composition and structure of the steel, its heat treatment, surface properties and lubrication, the angle of the cone is also essential for the durability of these elements. This task can be performed on the basis of long-term tests. As it is known, the peripheral stresses create in the cross-sections of the rings radial forces which in all parts of the surfaces of both rings are opposite to each other. The resultant of these radial forces act at the points of gravity Fsi of the surface of the inner ring and at the point of gravity FSA of the surface of the outer ring, creating a torque. Ultimately, this interaction leads to an additional reduction or increase in the diameter of the inner or outer ring. As a result of the resulting increase in stress, it is possible to deform the front surfaces of the rings having the same cone angle in cross-section before reaching the highest level. ¬ higher spring load. For an inner ring subjected to compression stress this is necessary due to the ability of the spring to act, while in the outer ring, which is subjected to tensile stresses - increased stress on the periphery (compared to the tension in the middle of the ring) leads earlier or later to the fracture of the ring, and thus to the elimination of the work of both elements of the spring. There is also a friction spring design in which the inner and outer rings are shaped so that each of them it is provided with two contact surfaces with different angles of inclination, making it possible to obtain a progressive increase in its elastic characteristic. The gradation of the contact surface leads to a better ratio of elastic properties to the spring height by reducing the angle, and by increasing the angle to the possibility of a greater compression of the spring. In the position of the spring folded, the rings are only loaded by the above gradation. at the part of the contact surface corresponding to the greater angle of inclination. This results in an insufficient and uneven distribution of stresses in the cross-section of the rings, with the final effect that the tensile stress of the outer ring leads to a deformation of its front surfaces. and convex of the outer ring. In the unloaded state of the springs - the rings contact each other in a linear manner, and when it is loaded, the radii of curvature of the rings change and their surface contact occurs, with the outer ring being split open, and the inner shrunken. In the juxtaposed position of the spring, due to the elastic properties of the rings, only partial contact of their surface occurs, and thus an insufficient and uneven stress distribution in the cross section occurs. As a result, the outer ring is more exposed under the same operating conditions as the friction spring ring of the present invention. It is an object of the invention to construct such a friction spring consisting of a closed outer ring and a closed or cut inner ring in which it is formed. the stresses in the outer ring would be balanced and thus the service life of the spring increased accordingly. According to the invention, this task has been solved in such a way that the angle of inclination of the inner ring is smaller than the angle of inclination of the outer ring, so that the outer ring is not additionally loaded on its front surface, eliminating the adverse effects of this load. It has been empirically established that the most favorable conditions are obtained in the case of such a construction of the rings, when the difference in their inclination angles is about 1 °. The invention is explained, for example, in the drawing in which Fig. 1 shows an unstressed friction spring - according to a known construction solution - in cross-sections, fig. 2 - friction spring according to fig. 1 tensioned at maximum load - in a partial section of the deformed form, fig. 3 - friction spring according to the invention in partial section, and fig. 4 - tensioned friction spring according to the invention The invention is partially sectioned. The friction spring shown in FIG. 1 is known per se The solution and used for comparison with the subject of the invention consists of an outer ring 1 and an inner ring 2 with the same inclination angle a. The total cone angle in this case is 2 a for both rings. 2 shows the same spring, with its conical contact surfaces 1a and 2a being deformed with respect to the unloaded spring in its cross-section of straight lines. This deformation is the result of the occurrence of the resultant axial forces P acting in the centers of gravity Fsi and Fsa and the radial forces Pj and Pa that create the torque. its destruction. On the other hand, in the inner ring 1, as a result of the same type of stresses, compressive stresses occur only in the area of plastic deformation. In the case of the spring according to the invention shown in Fig. 3, the angle of inclination a. Of the inner ring 1 is less than the angle of the plastic deformation. aa of the outer ring 2. As a result, in the unloaded state of the spring, a wedge-shaped gap 3 is formed between the contact surfaces 1a and 2a of the rings 1 and 2, the point of which is directed each time to the center of the outer ring 2. The spring shown in in the loaded condition in Figure 4 shows that by using an angle of inclination a {less than the angle of inclination a & the contact surfaces 1a and 2a remain approximately undistorted. As a result of the angle difference, the front side 2b of the outer ring remains unloaded, so that the possibility of damage to this component is eliminated. The subject of the invention in particular has the advantage that, compared to known friction springs, it is possible to obtain a considerable load at the same loads. increasing the vitality of the spring. Conversely, for the same service life, it makes it possible, due to the better utilization of the material, to significantly increase the permissible loads and thus the elastic work which, as is known, increases in proportion to the square of the load. PL PL