Die vorliegende Erfindung betrifft eine armierte Tellerfeder aus elastisch verformbarem Material, die eine obere, ebene oder konvexe Fläche, eine untere, konkave Fläche, eine äussere Mantelfläche und eine innere Bohrung aufweist.
Tellerfedern, nach ihrem Erfinder auch Belleville-Federn genannt, sind Kegelschalen mit rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt. Oft weisen sie ferner eine obere, die Bohrang angrenzende und eine untere, die Mantelfläche angrenzende ebene Auflagefläche auf, über welche die Lastübertra gung gewährleistet wird. Die im Maschinenbau meist verwen deten Tellerfedern bestehen aus Stahl und anderen Metallen, und gelangen, in Abhängigkeit von den erwünschten Federungscharakteristiken einzeln oder in Gruppen zur Verwendung, wobei die letzteren in Reihenschaltung oder Parallelschaltung aufeinandergestapelt sein können. Diese isotropen Tellerfedern sind besonders ausführlich in den nachstehenden Literaturstellen beschrieben und analysiert worden: a) Siegfried Gross: Berechnung und Gestaltung von Metallfedern , 3. Auflage, 1960 Springer-Verlag, Seiten 6179; b) J.
O. Almen und A. Laszlo: The Uniform-Section Disk Spring (Transactions of the ASME, Band 58, 1936, Seiten 305-314).
Im Generatoren- und Transformatorenbau werden Tellerfedern benötigt, die aus elektrisch isolierenden Materialien bestehen. Diese werden gegenwärtig aus glasfaserverstärkten (GFK) Kunststoffen hergestellt, die eine relativ gute Kombination von Steifigkeit und Festigkeit besitzen. Es werden Tellerfedern aus Mattenlaminat, aus Rohren geschnittene Ringe und Wellplatten verwendet.
Als Nachteil der GFK-Tellerfedern nach dem Stand der Technik ist zu erwähnen, dass ihre Steifigkeit wesentlich niedriger liegt, als diejenige der Stahlfedern. Ferner ist mit diesen Tellerfedern eine höhere Steifigkeit nicht wie mit Stahlfedern durch Aufeinanderstapeln zu erreichen, da die Grenzflächen zwischen übereinanderliegenden Tellerfedern nicht dauerhaft geschmiert werden können. Aus diesem Grunde ist die Steifigkeit bzw. die Federkonstante einer GEFK-Tellerfeder stark begrenzt und reicht in vielen Fällen nicht aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, den vorerwähnten Nachteil der glasfaserverstärkten Tellerfedern nach dem Stand der Technik zu vermeiden und eine mit zweckmässig angeordneter Armierung erforderlicher Festigkeit versehene Tellerfeder zu schaffen, deren Steifigkeit im Vergleich mit den glasfaserverstärkten Tellerfedern nach dem Stand der Technik wesentlich höher liegt.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe der erfindungsgemässen Tellerfeder dadurch gelöst, dass im Inneren der Tellerfeder zwischen der Bohrung und der Mantelfläche mindestens annähernd koaxial zur Federachse angeordnete Armierungselemente in wenigstens einer Schicht, eingebettet sind, die wenigstens gegen einige der bei axialer Belastung der Feder auftretenden Deformationen gezielten Widerstand leisten.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine bekannte in konventioneller Weise belastete, aus isotropem Material bestehende Tellerfeder mit Rechteckquerschnitt;
Fig. 2 eine Darstellung der berechneten tangentialen Spannungen entlang der radialen Breite der isotropen Tellerfeder nach der Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung mit Zugarmierungselementen im Inneren der Tellerfeder;
Fig. 4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit Druckarmierungselementen im Inneren der Tellerfeder;
Fig. 5 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit sowohl Zugarmierungs- wie auch Druckarmierungselementen im Inneren der einen Trapezquerschnitt aufweisenden Tellerfeder;
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Fig. 6 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Zug- und Druckarmierungselemente in den hochbeanspruchten Bereichen der Tellerfeder in zwei Schichten vorgesehen sind;
Fig. 7 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung mit zusätzlichen radial verlaufenden Verstärkungselementen;
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Schnittlinie I-I durch die Ausführungsform nach Fig. 7, wobei die Verteilung der radialen Verstärkungselemente in der Tellerfeder dargestellt ist; und
Fig. 9 ein Kraft-Federweg-Diagramm zum Vergleich einer Ausführungsform der GFK-Tellerfeder nach der Erfindung mit einer GFK-Tellerfeder nach dem Stand der Technik.
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Bestandteile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet. In der Fig. 1 ist eine gewöhnliche Belleville-Feder 1 gezeigt, die einen rechteckigen Querschnitt aufweist und aus isotropem Material besteht. Die über den Umfang des inneren und des äusseren Randes gleichmässig verteilte Last Q drückt die Feder flacher, d. h. vermindert ihre freie lichte Höhe ho auf h. Der Unterschied ho-h = f ist also ihre Federung. Durch diese Verformung werden in der Tellerfeder 1 Tangential-, Radial- und Schubspannungen und damit -Deformationen hervorgerufen. Die Radialspannungen sind jedoch verhältnismässig klein, und können ohne wesentlichen Nachteil vernachlässigt werden.
Die in verschiedenen Bereichen einer belasteten, isotropen Tellerfeder rechteckigen Querschnittes auftretenden Tangentialspannungen sind im Diagramm nach der Fig. 2 dargestellt, welches aus der vorerwähnten Literaturstelle von J. O. Almen und A. Laszlo entnommen ist. Diese Tangentialspannungen sind nach den bekannten, in der ersterwähnten Literaturstelle von Siegfried Gross aufgeführten Beziehungen berechenbar.
Das Diagramm nach der Fg. 2 zeigt in qualitativer Weise die Verteilung der Tangentialspannungen in radialer Richtung einer isotropen Tellerfeder rechteckigen Querschnittes, die bei deren Verformung aus dem unbelasteten Zustand 1A in den belasteten, flachgedrückten Zustand 1B auftreten. Dabei bezieht sich die Kurve 7 auf die obere Fläche 5, die Kurve 8 auf die untere Fläche 6 und die Kurve 9 auf die mittlere Fläche B-B der Tellerfeder.
Aus dem Diagramm geht hervor, a) dass die an der oberen Fläche 5 der Tellerfeder auftretenden Spannungen Druckspannungen sind, deren Maximalwert bei der Kante der Bohrung 2 liegt; b) dass die an der unteren Fläche 6 der Tellerfeder auftretenden Spannungen Zugspannungen sind, deren Maximalwert bei der Kante der Mantelfläche 3 liegt; c) dass die an der mittleren Kegelfläche B-B der Tellerfeder auftretenden Spannungen im Bereich der Bohrung 2 Druckspannungen sind, deren Maximalwert bei der Bohrung 2 liegt, wogegen sie im äusseren Bereich Zugspannungen sind, deren Maximalwert bei der Mantelfläche 3 liegt; d) die grösste aller Tangentialspannungen ist die Druckspannung, die an der oberen Fläche 5 bei der Kante der Bohrung 2 liegt und ist die einzige, die in fast allen praktischen Fällen beim Entwerfen berücksichtigt werden muss.
Die Erfindung sieht für Anwendungen, bei welchen für die Tellerfeder 1 Spezialmaterialien, wie z. B. elektrisch isolierende Materialien, verwendet werden müssen, die gegen Druck- und/oder Zugbeanspruchungen und damit -Deformationen keinen genügenden Widerstand leisten, anisotrope Tellerfedern vor, welche in ihrem Inneren den Anforderungen entsprechend gewählte und angeordnete Zug- und/oder Druckarmierungselemente sowie gegebenenfalls radial verlaufende Verstärkungselemente aufweisen.
Bei der in der Fig. 3 gezeigten ersten Ausführungsform besteht die Tellerfeder 1 aus einem Druck- und schubfestem Material, das gegen bei axialer Belastung der Tellerfeder an der oberen Fläche 5 auftretende Druckdeformationen und an zylindrischen Umfangsflächen im Inneren der Tellerfeder 1 auftretende Schubdeformationen ausreichenden Widerstand leistet. In der Nähe der unteren Fläche 6 sind Zugarmierungselemente 10 vorgesehen, die der Tellerfeder die im Bereich der Fläche 6 notwendige Zugfestigkeit verleihen, und für den Widerstand gegen die im genannten Bereich bei Belastung der Tellerfeder hervorgerufenen tangentialen Zugdeformationen verantwortlich sind.
Die Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Armierungselemente Druckarmierungselemente 11 sind, die in der Nähe der oberen Fläche 5 der Tellerfeder 1 angeordnet sind, der Tellerfeder die im Bereich der Fläche 5 notwendige Druckfestigkeit verleihen, und für den Widerstand gegen die im genannten Bereich bei Belastung der Tellerfeder hervorgerufenen tangentialen Druckdeformationen verantwortlich sind.
Die Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Tellerfeder 1 eine obere, die Bohrung 2 angrenzende ebene Auflagefläche 15 und eine untere, die Mantelfläche 3 angrenzende ebene Auflagefläche 16 aufweist, im Querschnitt annähernd trapezförmig ist, und sowohl mit Zugarmierungselementen 10 wie auch mit Druckarmierungselementen 11 armiert ist. Wenn das Material der Armierungselemente sowohl zugfest wie auch druckfest ist, können kombinierte Zug- und Druckarmierungselemente (nicht gezeigt) verwendet werden, die sich über die ganze Dicke der Tellerfeder erstrecken können. Selbstverständlich können alle anderen Ausführungsformen der Tellerfeder mit den in der Fig. 5 gezeigten Auflageflächen 15, 16 ausgebildet sein.
Die Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher sowohl die Zugarmierungselemente 10 wie auch die Druckarmierungselemente 11 in den hochbeanspruchten Bereichen in zwei Schichten angeordnet sind, so dass sie gegen höhere Federbelastungen und Deformationen Widerstand leisten können.
Eine fünfte, in den Fig. 7 und 8 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführungsform nach der Fig. 3 durch zusätzliche, in der Tellerfeder 1 radial verlaufende, geradlinige Verstärkungselemente 12, die zwischen der konkaven Fläche 6 und den Zugarmierungselementen 10 angeordnet sind. Diese leisten gegen in radialer Richtung auftretende Zug- und Druckdeformationen und an zylindrischen Umfangsflächen im Inneren der Tellerfeder 1 auftretende Schubdeformationen Widerstand. Die Verstärkungselemente 12 können natürlich auch in mehreren Schichten über die ganze Dicke der Tellerfeder 1 vorgesehen sein.
Anstelle der Elemente 12 können zur Verstärkung gegen die genannten Zug-, Druck- und Schubdeformationen andere Verstärkungsmaterialien wie kurzgeschnittene Glasfasern, Matten oder Gewebe (nicht gezeigt) verwendet werden, welche eine beliebige Dicke aufweisen können, und zusammen mit den Zug- und Druckarmierungselementen gegen alle auftretenden Deformationen ausreichenden Widerstand leisten können.
Bei allen vorerwähnten Ausführungsformen können die Armierungselemente 10, 11 als kontinuierliche Spiralen oder als zueinander konzentrisch angeordnete ringförmige Elemente ausgebildet sein. Da die Druck- bzw. Zugdeformationen in der Tellerfeder entlang einer radialen Linie variieren, können die Armierungselemente, punkto Querschnitt oder Anzahl, entlang der radialen Linie nach Massgabe der Deformationsverteilung veränderlich gewählt werden. Wenn die Armierungselemente als kontinuierliche Spiralen ausgebildet sind, können die Abstände zwischen zwei benachbarten Schleifen entlang einer radialen Linie nach Massgabe der Deformationsverteilung variieren. Wenn hingegen die Armierungselemente zueinander konzentrisch angeordnete ringförmige Elemente sind, können deren Querschnitte entlang einer radialen Linie nach Massgabe der Deformationsverteilung variieren.
Der überraschende Effekt, der sich schon bei den Versuchen mit Tellerfedern mit kombinierten Zug- und Druckarmierungselementen deutlich gezeigt hat, ist die wesentlich höhere Steifigkeit einer nach der Erfindung gewickelten Tellerfeder im Vergleich mit einer GFK-Tellerfeder nach dem Stand der Technik. Die Ergebnisse eines derartigen Versuches sind in der Fig. 9 dargestellt, welche ein Kraft-Federweg Diagramm zum Vergleich von paarweise getesteten Tellerfedern zeigt. In diesem Diagramm bezieht sich die Kurve 13 auf ein Tellerfederpaar aus Mattenlaminat (Epoxydharz + Glasfasern) nach dem Stand der Technik, wogegen sich die Kurve 14 auf ein nach der Erfindung gewickeltes Tellerfederpaar bezieht, bei welchem die Kegelschale aus zykloaliphatischem Epoxydharz und die Armierung aus E-Glasfasern besteht.
Wenn man die durch die Neigungen der Kurven 13 und 14 gegebenen Steifigkeitswerte der getesteten Tdlerfederpaare miteinander vergleicht, geht hervor, dass die Steifigkeit des erfindungsgemäss armierten Tellerfederpaares nicht weniger als um 50% höher liegt als diejenige des Tellerfederpaares nach dem Stand der Technik. Zudem ist noch hinzuzufügen, dass die Möglichkeiten der Steigerung der Steifigkeit in den bis jetzt durchgeführten Versuchen noch nicht erschöpft worden sind.
In diesem Zusammenhang ist noch zu erwähnen, dass sich eine gewickelte Tellerfeder als eine Zusammenstellung koaxialer, miteinander flexibel verbundener zylindrischer Rohre betrachten lässt. Ausserdem gilt für den Schubmodul glasfaserverstärkten Kunststoffes quer zur Faserrichtung, dass dieser nur 5 bis 10% des elastischen Moduls in der Faserrichtung beträgt. Beim Anlegen der Last auf die Tellerfeder wäre also zu erwarten, dass die genannten zylindrischen Rohre leicht übereinander gleiten und daher eine geringe Steifigkeit ergeben würden. Aus der Fig. 9 geht jedoch hervor, dass ein solches Gleiten nicht auftritt. Die Steifigkeit der Tellerfeder ist also sowohl im anisotropen wie auch im isotropen Fall durch den elastischen Modul des Werkstoffes in Umfangsrichtung bedingt.
Der überraschend hohe, bei den Versuchen gemessene Steifigkeitswert der in Umfangsrichtung allein verstärkten Tellerfeder kann als Beweis für diese Aussage betrachtet werden.
Die aus elektrisch isolierenden Materialien hergestellten Tellerfedern nach der Erfindung können für Anwendungen verwendet werden, für welche sich die gewöhnlichen Metallfedern wegen ihrer Leitfähigkeit und die GFK-Tellerfedern nach dem Stand der Technik wegen ihrer ungenügenden Steifigkeit zur Verwendung nicht eignen. Durch zweckmässige Wahl des Materials für die Tellerfeder 1 und durch zweckmässige Wahl und Anordnung der Armierungselemente ist es ferner möglich, Tellerfedern herzustellen, die den strengsten in der Praxis vorkommenden Anforderungen in bezug auf Festigkeit und Steifigkeit genügen.
Für die Berechnung der Tellerfedern nach der Erfindung eignen sich die vorangehend erwähnten bekannten Beziehungen nicht mehr. Jedoch können gültige Beziehungen entwickelt werden, mit deren Hilfe die richtige Tellerfeder für eine bestimmte Anwendung gewählt werden kann.