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Druckfeder aus Gummi oder einem ähnlichen elastischen Material
Die Erfindung betrifft eine Druckfeder aus Gummi oder einem ähnlichen elastischen Material in der
Form eines in seinem Mittelteil eingeschnürten, rohrförmigen Rotationshohlkörpers, dessen Wand in verschiedenen Querschnitten unterschiedliche Dicke hat und dermantelseitig durch zwei koaxiale Rotationsflächen begrenzt ist, deren Erzeugende in einer gemeinsamen Ebene liegende, stetig gekrümmte oder unstetig verlaufende Linien sind.
Druckfedern dieser Art eignen sich besonders für Federungen, die bei begrenztem verfügbarem Raum quer zur Richtung der Federbelastung einen grossen Federweg in der Belastungsrichtung erfordem. Diese Forderung ist häufig bei der Lagerung von Fahrzeugen oder von Maschinen bzw. Motoren, die auf festen Fundamenten oder auf Fahrzeugen montiert sind, gegeben. Darüber hinaus sind derartige Druckfedern für Stossdämpfer, elastische Anhaltevorrichtungen am Ende von Bewegungsbahnen usw. anwendbar.
Bekannte, aus einem einstückigen Gummikörper bestehende Druckfedern dieser Art zeigen den Mangel, dass sie sich bei axialer Druckbelastung in ihrem Mittelteil nach aussen ausbauchen, wodurch sich ein ungünstiges Federdiagramm ergibt. Um diesen Mangel zu beheben, ist bei einer bekannten Druckfeder der beschriebenen Art in der Quermittelebene des Gummikörpers ein das unerwünschte Auswärtswölben verhindernder Metallreifen eingebettet. Zum gleichen Zweck ist bei andern bekannten Druckfedern gleicher Art der Gummikörper in der Quermittelebene unterteilt und in der Teilungsebene ist eine Platte aus Metall eingefügt, mit der die Stossflächen der beiden Hälften des Gummikörper durch Vulkanisation verbunden sind.
Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, bei Druckfedern der einleitend angegebenen Art das unerwünschte Auswärtswölben des Mittelteiles unter starker axialer Belastung ohne die verteuernde Massnahme der Anwendung von Metallteilen, d. h. allein durch eine besondere Formgebung des Federkör. pers, zu erreichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Kombination der Merkmale des die Druckfeder bildenden rohrförmigen Rotationskörpers gelöst : a) die Erzeugenden seiner Rotationsflächen sind über seine ganze wirksame Länge nach aussen kon- kav, b) seine Wandstärke nimmt von der Mitte aus nach den Enden zu stetig ab und c) seine Endflächen verlaufen rechtwinkelig zu seiner Achse.
Das durch diese Merkmalskombination erzielte günstige Verhalten des Federkörpers ist an Hand der Zeichnungen noch genauer erläutert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in der Aussenfläche des rohrförmigen Rotationshohlkörpers in der dem kleinsten mittleren Durchmesser entsprechenden Ebene eine Umfangsnut ausgebildet. Zweckmässig ist bei einer erfindungsgemässen Druckfeder an jedem der beiden Enden des rohr-
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förmigen Rotationskörpers in an sich bekannter Weise eine mit kleinerer Wandstärke als die kleinste
Wandstärke des rohrförmigen Rotationshohlkörpers ausgebildete Querwand vorgesehen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient die folgende detaillierte Beschreibung von Ausfüh- rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
5 Fig. l ist ein Längsschnitt einer Druckfeder nach der Erfindung in unbelastetem Zustand ; Fig. 2 ist ein
Schnitt senkrecht zur Achse M- M in Fig. 1 ; Fig. 3 erläutert die Verteilung der Kräfte in der Längsschnitt- fläche einer Druckfeder nach Fig. 1 ; Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie N-N in Fig. 3 ; die Fig. 5-8 zei- gen in Seitenansicht die aufeinanderfolgenden Formen der Druckfeder nach Fig. 1 bei wachsender Bela- stung ; die Fig. 9 und 10 zeigen Achsschnitte von weiteren Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Rotationshohlkörper 10 aus Gummi oder einem ähnlichen elastischen Material, der axial an seinen Enden von zwei ebenen Kreisringflächen 12 und 13 begrenzt wird. Mantelseitig wird der Hohlkörper 10 von zwei koaxialen Rotationsflächen, nämlich einer inneren und einer äusse- ren, begrenzt, deren Erzeugende zwei in einer gemeinsamen Ebene liegende gekrümmte Linien 14 und 15 sind. Die Krümmung der Linien 14 und 15 ist zur Achse M-M der Rotationsflächen ge- richtet und bezüglich der zur Rotationsachse senkrechten Geraden N-N durch den Federmittelpunkt symmetrisch, so dass diese Geraden eine Symmetrieebene der Feder definieren.
Die Druckfeder weist auf beiden Stirnseiten in an sich bekannter Weise waagrechte Querwände 16 und 17 auf, die mit der Seitenwand aus einem einzigen Stück bestehen. Die Querwände 16 und 17 haben in der Mitte je ein Loch zur Verankerung an starren Stützflächen 11 durch an sich bekannten
Eingriff von Verbindungsstücken 11A in die Löcher der Querwände.
In Fig. 2 ist mit dm der mittlere Durchmesser des Kreisringes bezeichnet, der einem Querschnitt durch die Seitenwand der in Fig. 1 dargestellten Feder nach der Linie N- N entspricht. Dieser mittlere
Durchmesser ist gleich dem arithmetischen Mittelwert zwischen dem äusseren Durchmesser D und dem inneren Durchmesser d des Kreisringes.
Die Druckfeder nach Fig. 1 ist so bemessen, dass der mittlere Durchmesser dm der kreisringförmi- gen Querschnittsfläche in Richtung zur Mitte der Feder abnimmt.
Bei ihrer Verwendung wird die Feder in axialer Richtung zusammengedrückt und nimmt dabei je nach der Deformation, der sie unterworfen wird, verschiedene Formen an. Einzelne Stadien dieser De- formation sind beispielsweise in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellt, u. zw. zeigen diese Figuren Deforma- tionen von 20,40 bzw. 50% in bezug auf die Höhe, welche die Feder im unbelasteten Zustand (Fig. 5) aufweist.
Bei einer Deformation um 20% der anfänglichen Höhe (Fig. 6) nimmt der Durchmesser der beiden Stirnflächen der Feder um 6% gegenüber dem Wert zu, den er ursprünglich bei nichtbelasteter Feder hat.
Der Aussendurchmesser des Querschnittes in der Mitte der Feder nimmt um 12% des Anfangswertes zu
Das Aussenprofil des Federkörpers 10, das bei unbelasteter Feder gekrümmt ist, zeigt die Tendenz, sich gerade zu richten, so dass derFederkörper die Form von zwei an der kleineren Basisfläche mitein- ander verbundenen Kegelstümpfen annimmt.
Bei einer Deformation um 40% der anfänglichen Höhe (Fig. 7) nimmt der Durchmesser der Stirnflä- chen um 12% des Anfangswertes zu, wogegen der Aussendurchmesser des Querschnittes in der Mitte des
Federkörpers um 247to des Anfangswertes zunimmt. Das elastische Material zwischen dem Mittelquer- schnitt und jeder der beiden Stirnflächen dehnt sich der Breite nach aus, wobei der Federkörperhinsicht-
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Bei einer Deformation um 50% der anfänglichen Höhe (Fig. 8) nimmt die Feder die Form zweier aufeinander ruhender gewölbter Ringe an, wobei die an den Mittelquerschnitt grenzenden Zonen der Aussenfläche einander berühren. Bei einer Deformation von diesem Ausmass nimmt der Durchmesser der Stirnflächen um 17% des Anfangswertes zu, wogegen der Aussendurchmesser im Mittelquerschnitt um 34% des Anfangswertes zunimmt.
Infolge dieser Art der Deformation des beschriebenen elastischen Körpers wird das elastische Material so lange, bis das äussere Profil die geradlinige Form nach Fig. 6 annimmt, hauptsächlich auf Druck beansprucht ; bei weiterer Deformation wird das Material hauptsächlich auf Druck und Biegung (Fig. 7) und nur bei noch höherer Belastung der Feder (Fig. 8) wird es wieder fast ausschliesslich auf Druck bean- sprucht.
Durch diese Arbeitsweise ergibt sich bei der Feder nach der Erfindung ein progressives Belastungs- Deformations- Diagramm ohne wesentliche Steifigkeitsänderungen, die in den Diagrammen von entsprechenden elastischen Hohlzylindern feststellbar wären, was in vielen Fällen von besonderem Vorteil ist.
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Das in den Fig. 5-8 dargestellte Verhalten der Feder nach Fig. 1 scheint auf dem folgenden Kräfteverlauf zu beruhen.
Die Axialbelastung P, die im Schema nach Fig. 3 angedeutet ist, verursacht im Inneren der Seitenwand schräge Drücke, die mit C und C2 bezeichnet sind. Im mittleren Querschnittdurchdie Symmetrieebene N-N der Feder lassen sich diese SchrägdrUcke in senkrechte Komponenten V1'V 2 und waagrechte Komponenten T zerlegen. Diesen letzteren Komponenten, die das Bestreben haben, den Durchmesser der inneren Bohrung im Schnitt nach der Symmetrieebene N-N zu verringern, wirken die Druckkräfte F in der Wölbung des Querschnittes entgegen, die in Fig. 4 angedeutet sind.
Daraus ergibt sich, dass sich der Mittelquerschnitt in der Symmetrieebene N- N so verhält als ob er starr wäre, und die beiden Federteile darüber und darunter arbeiten als ob sie zwischen ihrer Basis und diesem Mittelquerschnitt zusammengedrückt würden. Bei Zunahme der Belastung richten sich daher die äusseren Profile zuerst gerade, wie dies in den Fig. 5 und 6 angegeben ist, entsprechend der Resultierenden der Kräfte, die in den verschiedenen Schichten auftreten, in welche die Seitenwand unterteilt werden kann, und entsprechend der Wölbung, welche eine Deformation nach innen hin verhindert. In weiterer Folge krümmen sich dann die Profile unter der Wirkung der Spitzenbelastung nach aussen, wie dies in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist.
In diesem Deformationsstadium entwickeln sich Tangentialspannungen in der Seitenwand. Das Ergebnis ist, dass die Feder gemäss der Erfindung, verglichen mit einem zylindrischen Hohlkörper gleichen Volumens und entsprechender Abmessungen, ein weniger gekrümmtes Deformationsdiagramm bei wach- sender Betastung aufweist, d. h. eine bei Belastung etwa konstant bleibende Deformierbarkeit zeigt, was bei vielen Anwendungen einen Vorteil darstellt.
Überdies weist die Feder nach der Erfindung auch in bezug auf die Stabilität Vorteile gegenüber einem elastischen zylindrischen Hohlkörper gleicher Höhe und gleichen Volumens auf. Um diese Stabilität noch zu erhöhen, empfiehlt es sich, die Stärke der Wand der Feder vom Aussenrand gegen die Symmetrieebene zu zu variieren oder eine äussere ringförmige Rille in Höhe der Mittelebene vorzusehen, zu dem Zwecke, diese Symmetrieebene, die während der Kompression die Basis der beiden übereinandergelagerten und gegeneinander gedrückten Kegelstümpfe bildet, genau zu definieren.
An Hand von Fig. 9 können die oben dargelegten Verhältnisse noch deutlicher erläutert werden.
Nach Fig. 9 werden die innere und die äussere Oberfläche der Federseitenwand im Querschnitt durch
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Der Radius r des inneren Bogens 14 ist kleiner als der Radius R des äusseren Bogens 15, so dass die Stärke der Seitenwand von den Enden des Körpers 10 gegen seine Mitte zu progressiv zunimmt. Die Mittelebene wird durch eine Umfangsrille 18 mit abgerundetem Profil an der äusseren Oberfläche der Seitenwand markiert.
In Fig. 10 ist eine andere Ausführungsform der Feder nach der Erfindung dargestellt. Hiebei werden die innere und äussere Oberfläche der Seitenwand der Feder durch Rotation von zwei geknickten Linien 14A und 15A erzeugt, die je zwei gleich lange Abschnitte haben. Die beiden Abschnitte schliessen einen spitzen Winkel Y ein, dessen Spitze gegen die RotationsacHse M-M weist. Die Halbierungslinien der beiden Winkel X und Y fallen mit der Geraden N-N zusammen. Auch in diesem Falle kann in der Mittelebene der Feder vorteilhaft eine Umfangsrille 18 mit abgerundetem Profil vorgesehen werden, welche die mittlere Querschnittsebene deutlich markiert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Druckfeder aus Gummi oder einem ähnlichen elastischen Material in der Form eines in seinem Mittelteil eingeschnürten, rohrförmigen Rotationshohlkörpers, dessen Wand in verschiedenen Querschnitten eine unterschiedliche Dicke hat und der mantelseitig durch zwei koaxiale Rotationsflächen begrenzt ist, deren Erzeugende in einer gemeinsamen Ebene liegende, stetig gekrümmte oder unstetig verlaufende Linien sind, gekennzeicfinet durch die Kombination folgender Merkmale des rohrförmigen Rotationskörpers : a) die Erzeugenden (14,15 in Fig. 1 ;
l4A, 15A in Fig. 10) seiner Rotationsflächen sind über seine ganze wirksame Länge auch aussen konkav, b) seine Wandstärke nimmt von der Mitte (N- N) aus nach den Enden zu stetig ab und c) seine Endflächen (12, 13) verlaufen rechtwinkelig zu seiner Achse (M-M).