Spiralfeder, hergestellt aus einem bandförmigen Federmaterial, Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder und Verwendung derselben Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine aus einem bandförmigen Federmaterial hergestellte Spi ralfeder, ein Verfahren zur Herstellung der Spiral feder, die cinerends an einem ersten und andernends an einem zweiten von zwei relativ zueinander beweg lichen koaxialen Organen befestigt ist, und eine Ver wendung dieser Spiralfeder.
Es sind Spiralfedern aus bandförmigem Feder material bekannt, die erfahrungsgemäss den Nach teil haben, dass sie einen sehr steilen Gradienten be sitzen, so dass das beim Abrollen der Feder abgege bene Drehmoment sehr rasch abnimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Spiralfeder mit einem verhältnis- mässig niedrigen Drehmomentgradienten zu bilden, welche Spiralfeder eine grosse Durchbiegung und ein hohes Ausgangsdrehmoment besitzt.
Die erfindungsgemässe Spiralfeder zeichnet sich dadurch aus, dass sie in entgegengesetzter Richtung zur ursprünglichen Spiralform gewickelt ist und min destens angenähert ihre Gesamtlänge zur Ausübung einer Kraftwirkung verwendbar ist, die während ihrer Dauer mindestens angenähert konstant ist, ferner dass das bandförmige Federmaterial derart vorgespannt ist, dass irgendein Abschnitt der Federwindungen im unbeeinflussten Zustand eine Krümmung aufweist, die entgegengesetzt zur ursprünglichen Krümmung vor dem Umwickeln ist.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungs gemässen Spiralfeder besteht darin, dass man einem bandförmigen Federmaterial in seiner Längsrichtung eine solche Vorspannung erteilt, dass es in unbelaste tem Zustand die Form einer Spirale mit dicht anein- anderliegenden Umgängen annimmt, worauf man das das innere Ende der Spiralfeder bildende Ende des spiralförmigen Federbandes an einem Organ befestigt, welches das innere Organ der beiden koaxialen Or gane der Spiralfeder bildet,
auf welches man alsdann das Federband in entgegengesetzter Richtung um wickelt, derart, dass die Durchbiegung der Feder an allen Stellen nach dem Umwickeln innerhalb der Elastizitätsgrenze liegt und mindestens angenähert die ursprünglich vorhandene Vorspannung in der Längs- richtung erhalten ist, ferner dass man das nach dem Umwickeln äussere Ende der Spiralfeder am äusseren koaxialen Organ befestigt,
so dass sich die Feder aus der einen geschlossenen, aufgerollten, am einen Organ anliegenden Spirale in eine geschlossene, auf gerollte, am anderen Organ anliegende Spirale um wickeln kann.
Die Verwendung der Spiralfeder ist dadurch ge kennzeichnet, dass sowohl das innere als auch das äussere Ende der Feder je an einem Organ befestigt sind, von welchen Organen das eine Organ gegen über dem anderen Organ drehbar ist und mittels, eines Zugmittels im einen Drehsinne zur überführung der Spiralfeder aus der Ruhelage in die gespannte Lage in Drehung versetzt werden kann, während die Rück führung der Feder aus der gespannten Lage in die ungespannte Ausgangsstellung unter der Wirkung der Federkraft selbsttätig erfolgt.
In den Zeichnungen sind ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sowie einige Anwen dungsbeispiele dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 im Aufriss eine aus einem Metallband her gestellte Spiralfeder in gespanntem Zustand vor der Montage auf einer Welle, Fig:
2 die Spiralfeder in gespanntem Zustande nach erfolgter Befestigung ihres einen Endes an einer Welle und ihres anderen Endes an einer Trommel, Fig. 3 die Spiralfeder von Fig. 2 nach erfolgter Entspannung, Fig. 4 die Spiralfeder in Verbindung mit einem Messband in entspanntem Zustande, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 4,
Fig. 6 einen analogen Aufriss wie die Fig. 2 und 3, wobei jedoch die Spiralfeder angenähert zur Hälfte abgewickelt ist, Fig. 7 die Spiralfeder in Verbindung mit einem abgeänderten Haltemittel für das eine Ende, Fig. 8 die Spiralfeder an einem als Fahrzeug aus gebildeten Spielzeug im Grundriss, welches Spiel zeug in Fig. 9 zum Teil im Aufriss, zum Teil im Schnitt gezeigt ist.
Zur Herstellung der Spiralfeder wird ein band förmiges Material aus Federstahl verwendet. Das bandförmige Material wird zu einer Spirale geformt, wie Fig. 1 zeigt, derart, dass die einzelnen Umgänge satt aufeinanderliegen, das Federmaterial aber ent spannt ist.
Es hat sich als zweckmässig erwiesen, bei der Verformung des bandförmigen Federmaterials so vorzugehen, dass eine Vorspannung in der Längs richtung, die jedem Abschnitt des Bandmaterials mit geteilt wird, so gewählt wird, dass der Krümmungs- radius des Abschnittes im Ruhezustand der Feder nicht wesentlich grösser ist als der Krümmungs- radius des nächstfolgenden inneren Abschnittes.
Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem man das bandförmige Federmaterial in der Längsrichtung einer Streckoperation unterzieht, derart, dass die zu rückbleibenden Spannungen sich beim anschliessenden Rückwärtswinden günstig auswirken. Das bandför mige Federmaterial, aus dem die Feder 1 geformt wird, kann die jeweils gewünschte Breite und Dicke besitzen und dem beabsichtigten Verwendungszweck angepasst sein, um die erforderliche Kraftwirkung zu erzeugen.
Die in Fig. 1 gezeigte Feder 1 weist ein inneres Ende 2 und ein äusseres Ende 3 auf. Die Krümmung der äusseren Umgänge der Feder sind derart, d'ass sie die Neigung zeigen, sich. aus der gezeigten Lage in Fig. 1 in der Richtung der Pfeile 4 zusammen zuziehen, das heisst es werden die äusseren Umgänge der Feder durch die darunterliegenden Umgänge in Expansion gehalten, so dass sie im Ruhezustand, das heisst, wenn die inneren Umgänge nicht vorhan den wären, einen kleineren Krümmungsradius auf weisen würden.
Die in Fig. 1 eingezeichneten Ab schnitte 5 stellen die normalen Durchbiegungen für kurze Stücke der Federumgänge dar, wenn solche aus irgendeinem Teil der Feder herausgeschnitten würden. Diese Abschnitte veranschaulichen daher die bleibende Durchbiegung des Federbandes.
Zum Gebrauch der Feder 1 wird ihr äusseres Ende 3 mittels einer Niete 13 (Fig. 2) mit einer Welle 6 verbunden, die in der Richtung des Pfeils 7 im Uhr zeigerdrehsinne gedreht wird. Der Pfeil 7 gibt daher die Aufrollrichtung des Federbandes auf die Welle 6 an, wenn die Spiralfeder aus der Spiralform des Band materials gebildet wird.
Wenn das Federband voll- ständig in die in Fig. 2 gezeigte Form umgerollt wor den ist, wird das ursprünglich innere Ende 2 der Feder 1 zum äusseren Ende 9, das mittels einer Niete 10 am Innenmantel einer als Halteorgan be stimmten Trommel 11 befestigt wird, die eine koaxiale Lage zur Welle 6 als inneres Halteorgan einnimmt, aber auch durch ein anderes Organ, z. B. durch eine Spule ersetzt sein kann. In der in Fig. 2 gezeigten Lage der Feder sind die Federkräfte von der Federachse aus nach auswärts gerichtet, wie die Pfeile 12 zeigen, welche Federkräfte somit die ent gegengesetzte Richtung wie in Fig. 1 haben.
In Fig. 2 ist die Feder mit 8 bezeichnet, um anzuzeigen, dass sie im entgegengesetzten Sinne gewickelt ist wie das Bandmaterial 1 in Fig. 1. Die Abschnitte 14 zeigen die normale Durchbiegung des Federbandes irgend eines beliebigen Abschnittes der Feder B. Diese Ab schnitte besitzen im Gegensatz zu den Abschnitten 5 in Fig. 1 konkave Form, die von der Feder weg gerichtet sind, während die konkaven Segmente 5 auf die Feder zu gerichtet sind.
Wie bereits erwähnt, sind die Durchbiegungen in der Längsrichtung der Feder 1, nachdem sie aus der Lage gemäss Fig. 1 in diejenige nach Fig.2 gerollt worden ist, entgegengesetzt zu denjenigen Durchbiegungen gerichtet, die bei einer Federbela stung vorhanden sind. Diese bleibenden Durch biegungen dienen zur Verminderung der totalen Span nung im Material.
Es ist deshalb möglich, die Be lastungsspannung auf Werte zu steigern, die sonst nicht möglich wären, was sich in der Praxis dahin auswirkt, dass zur Erzielung eines bestimmten Dreh momentes die Feder aus einem dünneren Material hergestellt werden kann, welches Drehmoment sich aus einem kleineren Drehmomentgradienten des Ma terials ergibt.
Nachdem das Winden der Feder auf die Welle 6 beendet und diese in die Lage nach Fig. 2 gebracht worden ist, kann sie entweder bei feststehender Trom mel 11 ein Drehmoment auf die Welle 6 oder bei feststehender Welle 6 ein solches auf die Trommel 11 ausüben. Im letzteren Falle, das heisst bei frei be weglicher Trommel 11, führt diese, wenn sie losge lassen wird, eine Drehbewegung in der Pfeilrichtung 15 aus. Sobald die Trommel 11 eine bestimmte An zahl Umdrehungen ausgeführt hat, heben sich die einzelnen Federumgänge, wie in Fig.6 gezeigt ist, voneinander ab, so dass die Federkraft der ganzen Feder von der Befestigungsstelle 10 bis zur Befesti gungsstelle 13 wirksam wird.
Die Trommel 11 setzt ihre Drehbewegung im Uhrzeigerdrehsinne von Fig. 2 fort, bis schliesslich die Federumgänge sich aufeinan derlegen und an die Innenwandung der Trommel an legen, wie Fig. 3 zeigt. In diesem Zustande der Feder treten nur noch radial wirkende Kräfte im Sinne der Pfeilrichtungen 16 auf. In diesem Zustande der Feder 8 haben die Abschnitte 17, wenn solche aus den Umgängen herausgeschnitten würden, eine der nor malen Spannung der Feder entsprechende Durch biegung.
Fig. 3 stellt die normale Lage der Feder 8 dar, wenn der durch diese Feder die Welle 6 und die Trommel 11 gebildete Federmotor zum Stillstand gekommen ist, während die Fig. 2 den Federmotor bei gespannter Feder darstellt.
Die Fig. 6 zeigt die verschiedenen Elemente des Federmotors während der Entspannung der Feder, das heisst während des Betriebs des Federmotors, dessen Feder 8 von einer geschlossenen aufgerollten Ausgangsstellung (Fi,2) mit kleinerem Aussendurchmesser in eine ebenfalls geschlossene umgerollte Endstellung (Fig.3) mit grösserem Aussendurchmesser übergeht, wobei in der Ausgangsstellung der innerste Umgang auf der Welle 6 aufliegt, während in der Endstellung sich der äusserste Umgang an der Innenmantelfläche der Trommel 11 anlegt,
wobei aber sowohl in der Aus gangsstellung als auch in der Endstellung jeweils eine Spiralform mit satt aufeinanderliegend'en Umgängen vorliegt.
Fig. 7 zeigt eine geänderte Ausführungsform des Federmotors, die von derjenigen nach Fig.2 sich dadurch unterscheidet, dass das äussere Ende der Feder 8 an einem auf einem Bolzen 35 montierbaren Ansatz 34 befestigt ist. Vorgesehen sind zwei solche an einer Scheibe 36 angebrachte Balzen 35, die im Abstand auseinand'erliegen, so dass der mit dem Fe derende verbundene Ansatz 34 je nach Erfordernis am einen oder anderen Bolzen fixiert werden kann.
Vorhanden ist noch eine zweite gleichartige Scheibe, die nicht dargestellt, aber im Abstand von der ersten Scheibe und parallel zu dieser angeordnet ist, zwi schen denen sich die Feder befindet und von diesen in Stellung gehalten ist.
Der Federmotor lässt sich in Verbindung mit den verschiedensten Vorrichtungen mit äusserst guten Ergebnissen verwenden. Beispielsweise lässt sich der Federmotor derart ausbilden, dass er sich in Kameras, Uhren, Aufzugs- und Aufwickel- oder Aufrollvorrich- tungen wie Messbändern und dergleichen Vorrichtun gen verwenden lässt, das heisst in Verbindung mit Vorrichtungen, bei denen ein niedriger Drehmoment gradient, ein langer Ausschlag und ein hohes An fangsdrehmoment besonders erwünscht sind.
Als Beispiel einer solchen Anwendungsform ist in Fig. 4 und 5 ein Messband dargestellt, bei welchem das innere Ende 19 der Feder 18 an einer kleinen Trommel 21 bei 20 befestigt ist. Das äussere Ende 22 der Feder 18 ist mittels einer Niete 23 an einer Trommel 24 angeschlossen. Die Trommel 24 mit der Feder 18 ist auf einem Bolzen 25 (Fig. 5) mittels eines Kugellagers 26 montiert, das in einer Nabe 27 angeordnet ist. Die Nabe 27 bildet vorzugsweise einen Teil eines stationären Gehäuses 28, das einen sich über den Umfang erstreckenden Rand 29, an den ein Teil 30 anschliesst, der parallel zur Gehäusewand 28 liegt und sich in Richtung auf die Achse des Gehäuses erstreckt, aufweist.
Auf diese Weise bilden die Teile 28, 29 und 30 ein ringförmiges Gehäuse, in dem das aus Stahl, einem Textilmaterial oder einem anderen Material bestehende Messband 31 unterge- bracht ist, dessen inneres Ende mittels der Niete 23 mit der Trommel 24 verbunden ist. An das äussere Ende des Messbandes ist eine Drahtöse 32 ange schlossen. Das Messband 31 ist durch einen Schlitz 33 im Rand 29 des äusseren Gehäuses hindurchge führt.
Wird in der Lage des Messbandes nach Fig. 4 dieses herausgezogen, ändert die Feder 18 entspre chend der Auszugslänge ihre Lage, bis schliesslich die Lage nach Fig.2 erreicht ist. In dieser Lage ist das Messband vollständig aus dem Gehäuse heraus gezogen.
Wird das ausgezogene Messband losgelassen, bewirkt die beim Ausziehen gespannte Feder das Wiederaufwickeln des Messbandes, das heisst die Rückführung in das Gehäuse in die Lage gemäss Fig.4, wobei die Federkraft während der ganzen Dauer des Aufrollens mindestens angenähert kon stant bleibt.
Beim Aufrollen des Messbandes ist es notwendig, die Bewegungen der Feder zu steuern, z. B. durch das Gehäuse. Die Befestigungsstellen an den Enden der Feder müssen fixiert sein, wobei aber die eine Befestigungsstelle gegenüber der anderen Befesti gungsstelle eine kreisförmige Bewegung auszuführen in der Lage sein muss. Die Federkraft der Feder 8 in Fig. 2 ist über die ganze Länge der Feder von der Befestigungsstelle 13 bis zur Befestigungsstelle 10 wirksam, so dass das Messband 31 über seine ganze Länge aus dem Gehäuse 28, 29, 30 herausgezogen werden kann.
Die Trommel 24 dreht sich dabei, so dass die Umgänge der Feder in die in Fig. 3 und 4 gezeigte Lage gelangen, wenn das Messband innerhalb des Gehäuses vollständig aufgerollt ist. Der auf das Messband wirksame, das Zurückrollen bewirkende Zug bleibt während des Aufrollens praktisch unver ändert.
Eine weitere Anwendungsform des Federmotors ist in Fig. 8 und 9 dargestellt, die ein Spielzeug in der Form eines Fahrzeuges darstellen, das selbsttätig mindestens angenähert in seine Ausgangsstellung zu rückkehrt, nachdem es von Hand in Bewegung ge setzt worden ist, wobei es gleichgültig ist, ob das Fahrzeug in der Ausgangsstellung vorwärts oder rückwärts bewegt wird.
Das Fahrzeug weist zwei Wellen 40 und 42 mit je einem Rad 44 auf jedem Wellenende auf. Auf dem Boden 46 des Fahrzeuges ist eine Konsole 48 be festigt, die ein Lager für das eine Ende einer Welle 50 trägt. Die Welle 50 ist ausserdem drehbar im Bo den 46 des Fahrzeugkörpers gelagert, wobei sie durch eine Bohrung 52 des letzteren ragt, wie Fig. 9 zeigt. Eine Feder 54, vorzugsweise in der Ausführungsform nach Fig. 3, ist mit ihrem inneren Ende an der Welle 50 oberhalb des Bodens 46 mittels einer Schraube 58 befestigt. In der Welle 50 könnte auch ein Schlitz zum Durchstecken des Federendes 56 vorgesehen sein.
Die Feder 54 ist innerhalb eines Gehäuses 60 angeordnet, mit dem das äussere Ende der Feder ver bunden ist. Das Gehäuse befindet sich unmittelbar über dem Boden 46. Die Feder 54 lässt sich durch Drehung der Welle 50 im Uhrzeigerdrehsinne von Fig. 8 auf letztere aufrollen. Die Feder weist eine Federspannung auf, die derart wirksam ist, dass sie die Welle 50 im Gegenuhrzeigerdrehsinn zu drehen bestrebt ist.
Der unterhalb des Bodens 46 befindliche Teil der Welle 50 trägt eine Trommel 62, auf der ein flexibles Zugmittel 64, beispielsweise eine Saite, auf gewunden ist. Das eine Ende des Zugmittels 64 ist an der Trommel befestigt, welches Zugmittel derart auf die Trommel 62 aufgewickelt ist, dass bei Aus übung eines Zuges auf das Zugmittel 64 im Sinne des Abrollens von der Trommel 62 diese eine Rotations bewegung im Uhrzeigerdrehsinne von Fig.8 aus führt.
Das zweite Ende des Zugmittels 64 ist derart mit der einen Welle 40 des Fahrzeuges verbunden, dass bei einer Drehung der Räder 44 das Zugmittel auf die Welle aufgewickelt wird. Die Welle 40 kann zum Zwecke der Befestigung des Zugmittels 64 auch mit einer Bohrung 66 versehen sein, durch welche das Zugmittelende 68 gestossen werden kann, so dass die Bildung eines Knotens am Zugmittelende zur Herstellung der gewünschten Verbindung mit der Welle 40 genügt. Es könnte aber auch auf der Welle 40 eine Rolle angebracht sein, an der das Zugmittel ende 68 zu befestigen ist.
Das fahrbare Spielzeug kann auf eine ebene Fläche, beispielsweise einem Zimmerboden, abge stellt werden, auf dem es frei rollen kann. Ein von Hand ausgeübter kräftiger Stoss bringt das Fahrzeug in Bewegung, wobei die Welle 40 im Gegenuhr zeigerdrehsinne von Fig. 9 in Drehung versetzt wird, was zur Folge hat, dass das Zugmittel 64 von der Trommel 62 ab- und auf die Welle 40 aufgerollt wird. Das Zugmittel 64 veranlasst somit eine entsprechende Drehung der Welle 50, wodurch sich die Feder 54 auf die Welle 50 aufrollt. Die Feder 54 nimmt ursprüng lich, das heisst in entspanntem Zustand, eine Lage ein, die identisch ist mit der Feder 8 in Fig. 3.
Wenn sie zufolge der Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges unter dem Einflosse des von Hand erteilten Stosses vollständig auf die Welle 50 aufgerollt und dadurch gespannt ist, nimmt sie eine Lage entsprechend der Feder 8 in Fig. 2 ein.
Ist das Fahrzeug am Ende seiner Vorwärtsbewe gung angelangt, leitet die gespannte Feder 54 die Rückwärtsbewegung ein, indem sie die Welle 50 in der entgegengesetzten Drehrichtung dreht, wodurch das Zugmittel 64 auf die Trommel 62 aufgerollt wird. Das Zugmittel 64 dreht die Welle 40 nunmehr im Uhrzeigerdrehsinn, und das Fahrzeug kehrt an seine ursprüngliche Ausgangsstelle zurück. In vielen Fällen reicht aber die während der Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges in der Feder 54 aufgespeicherte Kraft aus, um das Fahrzeug im rückläufigen Sinn über die Ausgangsstellung hinaus zu bewegen.
Während der Rückwärtsbewegung des Fahrzeuges wird das Zug mittel 64 wieder auf die Trommel 62 aufgerollt, jedoch in entgegengesetzter Richtung, als dies ur- sprünglich der Fall war. Das Zugmittel 64 dreht dabei die Trommel im Gegenuhrzeigerdrehsinne von Fig. 8, so dass dem Aufwickelsinn auf der Welle keine Bedeutung zukommt. In der Praxis bewegt sich das Fahrzeug bei der Rückwärtsbewegung nur über eine kurze Strecke über die Ausgangsstelle hinaus, um die Bewegungsrichtung neuerdings zu ändern und auf die Ausgangsstelle zu zu rollen.
Meistens kehrt aber das Fahrzeug bis zur Ausgangsstelle zurück, wie Versuche ergeben haben.
Ein zum Gebrauch an einem Spielzeug bestimmter Federmotor kann auch die in Fig. 4 dargestellte Aus führungsform aufweisen, in welchem Falle das Mess- band 31 durch eine Saite oder ein anderes flexibles Zugmittel ersetzt wird, das auf die Trommel 24 auf gewickelt wird. Die Trommel 24 und das äussere Ende der Feder rotieren, während das innere Feder ende in einem solchen Falle fest bleibt.
Wie bereits erwähnt, ist es möglich, die Feder 1 aus einem geeigneten bandförmigen federnden Ma terial analog Fig. 1 herzustellen, das ein über die ganze Länge reichende annähernd konstante Span nung besitzt. Die Feder kann aber auch eine über die ganze oder einen Teil ihrer Länge veränderliche Span nung besitzen. Die Feder kann in umgekehrter Rich tung auf eine Achse oder Welle im Sinne der Ausführungsform nach Fig.2 aufgewickelt und ihr neueres äusseres Ende an einem geeigneten Halte organ befestigt sein, das koaxial und drehbar in bezog auf die Achse oder Welle angeordnet ist, in welcher Stellung und Bedingung die Feder fertig zum Ge brauch zur Verfügung steht.
Es ist aber auch möglich, das vorgespannte band förmige Federmaterial in die aufgewickelte Form der Feder 8 nach Fig. 2 zu bringen, das heisst das Material, wie es aus der die Vorspannung erzeugen den Maschine herauskommt, zur Feder aufzuwickeln (Fig. 2), ohne dass die Verformung über die in Fig. 1 gezeigte Vorstufe zur Anwendung kommen muss. Das Vorspannen des Federmaterials zwecks Vorformung kann auch abschnittsweise vorgenommen werden oder derart erfolgen, dass die einzelnen Abschnitte der Reihe nach vorgespannt werden.
In jedem Falle werden die bleibende Durchbiegung und der minimale Durchmesser des Halteorgans, auf das die Feder auf gerollt wird, stets so gewählt, dass die Durchbiegung innerhalb der Elastizitätsgrenze des Federmaterials liegt.