DE68909295T2

DE68909295T2 - In sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder mit äusserem, rückwärtigem Neigungswinkel.

Info

Publication number: DE68909295T2
Application number: DE89107381T
Authority: DE
Inventors: Peter J Balsells
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-04-25
Also published as: ATE94955T1; DE68909295D1; EP0339544A3; US5134244A; EP0339544A2; EP0339544B1

Description

Die Erfindung betrifft eine ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder, enthaltend eine Vielzahl an entlang deren Mittellinie gekippten Windungen, wobei jede Windung einen nacheilenden Abschnitt und einen voreilenden Abschnitt aufweist, wobei der voreilende Abschnitt längs der Mittellinie mehr fortschreitet, als das Fortschreiten längs der Mittellinie, wenn man dem Lauf des nacheilenden Abschnittes folgt, wobei die Neigung des nacheilenden Abschnittes jeder Windung durch deren Rückwinkel bezüglich einer Linie, die senkrecht zur Mittellinie und senkrecht zu der Ebene verläuft, die durch die ringförmig geschlossene Schraubenfeder gebildet wird, bestImmt ist; wobei die Neigung des voreilenden Abschnittes jeder Windung durch deren Frontwinkel bezüglich einer Linie, die senkrecht zur Mittellinie und senkrecht zu der Ebene verläuft, die durch die ringförmig geschlossene Schraubenfeder gebildet ist, bestiinmt ist; wobei der Frontwinkel größer als der Rückwinkel ist; und wobei die Windungen derart untereinander verbunden sind, daß sie eine ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder bilden.
Eine derartige ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder ist aus der US-A-3 468 527 bekannt.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Schraubenfeder und eine Dichtung, und betrifft insbesondere ringförmig geschlossene Schraubenfedern, die gekippte Windungen aufweisen, welche vorausgewählte elastische bzw. Last-Durchfederungs- Charakteristika bei axialen Belastungen der Federn aufweisen.
Federn, die für axiale Lasten geeignet sind, entweder als solche oder in Verbindung mit Dichtungen, sind in der Industrie gang und gäbe. Bei jeglicher Art von Kolben, Lagern, Pumpen, Kupplungen und dgl. sind kreisförmige oder ringförmig geschlossene Konstruktionen notwendig, und es haben schon zahlreiche Personen eine Vielzahl an Parametern für die konstruktive Ausgestaltung erforscht, die die Elastizitätscharakteristika der Feder definieren. So sind beispielsweise die für Mather erteilten US-A-3,323,785 und US-A-3,468,527 repräsentativ für ringförmig geschlossene Federn, die speziell für axiale Lasten ausgestaltet sind.
Aufgrund der zahlreichen Anwendungen, bei denen ringförmig geschlossene Federn eingesetzt werden können, und die diversen Last-Durchfederungs-Charakteristika, die für jede dieser Anwendungen verlangt wird, muß eine sorgsam bedachte Ausgestaltung jeder ringförmig geschlossenen Feder bewerkstelligt werden, damit die Elastizitätcharakteristik jeweils zutreffend gestaltet wird, um den Bedürfnissen der jeweils vorgeschlagenen Anwendung zu entsprechen. So weist beispielsweise eine Feder, die zur Verwendung in einer Dichtung vorgesehen ist, vorzugsweise eine Arbeitsdurchfederung auf, bei der die Feder im wesentlichen eine gleiche oder konstante Kraft über einen weiten Durchfederungsbereich entfaltet. Mit einer solchen Elastizitätscharakteristik kann eine Veränderung des Abstandes zwischen den abgedichteten Elementen, die durch Abrieb verursacht werden kann, den von der Feder ausgeübten Abdichtdruck zwischen diesen beiden nicht beeinflussen. Bei anderen Anwendungen ist es notwendig, daß die Feder über einen speziellen Arbeitsbereich eine linear ansteigende Kraft im Hinblick auf die Durchfederung schafft, wohingegen in einigen Fällen sogar negative Last- Durchfederungs-Charakteristika vorzuziehen sind.
Unter Bezugnahme auf die US-A-3,468,527 ist anzumerken, daß Mather die Federcharakteristika sorgsam dahingehend studiert hat, um verbesserte Schraubenfederkonstruktionen zu erzielen, bei denen eine große Vielzahl von genau vorhersagbaren Last- Durchfederungs-Charakteristika erhalten werden können, so daß es möglich ist, die Ausgestaltung der Federn entsprechend den Bedürfnissen einer großen Vielzahl von Einrichtungen anzupassen. Mather hat herausgefunden, daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Windung und dem Durchmesser des Drahtes ein Charakteristikum ist, das verändert werden kann, um einen Bereich an Last-Durchfederungs-Charakteristika zu schaffen, wobei die Profilwinkel der Feder konstant gehalten werden.
Andere Nachsuchende haben in den meisten Fällen ringförmig geschlossene Federn so hergestellt, daß sie lediglich eine gebräuchliche Schraubenfeder dadurch zu einem Ring formen, daß die Enden miteinander verschweißt oder aneinander geklemmt werden. Es sei angemerkt, daß, obwohl ringförmig geschlossene oder kreisförmige Federn, als eine Klasse gesehen, die selbe allgemeine Form aufweisen, dennoch breite Ausführungsvariationen existieren, die von der speziellen Ausgestaltung der Feder abhängig sind. Entsprechend einer Klassifikation kann eine ringförmige Feder entweder eine axialen Lasten standhaltende Feder oder eine radialen Lasten standhaltende Feder sein. Wie das schon die Klassifikation andeutet, sind axialen Lasten standhaltende Federn so ausgestaltet, daß sie axiale Belastungen aufnehmen können, wohingegen radialen Lasten standhaltende Federn so ausgestaltet sind, daß sie radiale Belastungen aufnehmen können. Die zuvor erwähnten US-Patente von Mather sind beispielhaft für axialen Lasten standhaltende Federn und die US-A- 4,655,462 für Balsells beschreibt, daß kreisförmige oder ringförmig geschlossene Federn für radiale Belastungen derselben ausgestaltet sein können. Die Unterschiede zwischen den Federn sind beachtlich.
So beruht beispielsweise der Einsatzzweck einer "radialen" Feder auf ihrer Fähigkeit, unter radialen Belastungen durchzufedern. Dies steht im Gegensatz zu den axial belasteten Federn von Mather, der Schraubenfedern schafft, die dazu vorgesehen sind, bei axialem Zusammendrücken radial stabil zu bleiben.
Die vorliegende Erfindung bietet eine wesentliche Verbesserung in der Ausgestaltung von ringförmig geschlossenen axial belasteten Federn, die einen Grad an Maßanfertigung der Elastizitätcharakteristika einer Feder schafft, der weit über das, was bisher möglich war, hinausgeht. Obgleich die Federn der vorliegenden Erfindung als strukturell ähnlich zu Federn aus dem Stand der Technik erscheinen mögen, und ihre Ausführung anderen Federn in vielen Anwendungen vergleichbar scheint, können deren Ausgestaltungscharakteristika derart gesteuert werden, daß Federn möglich sind, die in Anwendungen eingesetzt werden können, die mit den bisherigen ringförmigen Federn nicht möglich waren.
So bezieht sich beispielsweise Mather in der US-A-3,468,527 primär auf einen Federindex, der das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Windung und dem Durchmesser des Drahtes darstellt, damit ein Mittel geschaffen wird, um die Elastizitätseigenschaft der Feder entsprechend einzustellen. In der US-A- 3,323,785 lehrt Mather die Variierung eines Neigungswinkels α, der an der Schnittstelle der Ebenen, die die Durchmesser der einzelnen Windungen enthalten mit einer Ebene senkrecht zur Achse der Feder gebildet ist, um die Elastizitätseigenschaft der Feder zu ändern. Obgleich dies nützliche Parameter sind, um die Elastizitätseigenschaft der Feder maßzuschneidern, sind diese eingeschränkt, und können nicht für eine Feder herangezogen werden, die aus einem ganz bestimmten Drahtdurchmesser und einer bestimmten Windungsgröße hergestellt werden muß, damit an vorbestimmte Dimensionen angepaßt werden kann, denn bei solchen kann eine Variation des Neigungswinkels α keine Feder definieren, die die gewünschten geeigneten Elastizitätseigenschaften aufweist.
Eine Feder entsprechend der vorliegenden Erfindung überwindet die zuvor erwähnten Nachteile und die der zuvor erwähnten bekannten kreisförmig oder ringförmig geschlossenen axial belasteten Federn mit den in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmalen.
Erfindungsgemäß weist eine ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder eine Vielzahl an Windungen auf, die entlang deren Mittellinie gekippt sind. Es sind Rückwinkelmittel vorgesehen, um nicht nur die Neigung eines nacheilenden Abschnitts jeder Windung bezüglich einer senkrecht zur Mittellinie stehenden Linie zu definieren, sondern auch um die Kraft- Durchfederungs-Charakteristik zu bestimmen, einschließlich des Bereiches der Arbeitsdurchfederung einer ringförmig geschlossenen axial elastischen Schraubenfeder.
Es wurde bislang von niemand die Bedeutung des Rückwinkels der Feder festgestellt, was nachfolgend noch näher beschrieben wird, und seine beherrschende Wirkung auf die Ausführung der Feder. Das bedeutet, durch Steuern des Rückwinkels, der den nacheilenden Abschnitt jeder Windung definiert, können die Elastizitätscharakteristika so ausgebildet werden, daß Bedingungen erfüllt werden können, die zuvor, ohne die gesteuerte Auswahl und Anpassung des Rückwinkels, nicht möglich waren.
Es sind nachfolgend näher beschriebene Frontwinkelmittel vorgesehen, um die Neigung eines voreilenden Abschnittes jeder Windung bezüglich der senkrechten Linie zu definieren. In jedem Fall sind die Frontwinkel größer als die Rückwinkel.
Die Windungen sind derart untereinander verbunden, daß eine ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder gebildet ist, bei der der nacheilende Abschnitt längs des äußeren Durchmessers der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder angeordnet ist, und der voreilende Abschnitt längs des inneren Durchmessers der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder angeordnet ist. Dieses Merkmal, in Kombination mit den zuvor beschriebenen Rückwinkeln trägt zu der Möglichkeit bei, ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfedern entsprechend der vorliegenden Erfindung nach Maß zu schneidern und zwar mit gewünschten Elastizitätscharakteristika, die weit über den Rahmen einer gebräuchlichen ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder hinausgehen.
So ermöglicht beispielsweise der Winkel eines entlang dem äußeren Durchmesser der Feder angeordneten nacheilenden Abschnittes dieser eine größere Kraft bei einer bestimmten Durchfederung auszuüben, als eine Feder, die die selben Ausmaße und das selbe Drahtmaß aufweist, bei der jedoch der nacheilende Abschnitt längs dem inneren Durchmesser der Feder angeordnet ist, wie das in der US-A-3,323,785 und der US-A-3,468,527 beschrieben ist. Demzufolge können Federn entsprechend der vorliegenden Erfindung aus dünnerem Draht hergestellt werden, und können engere Windungsteilungen aufweisen, und können dennoch die selbe Kraft bei einer Durchfederung ausüben, wie das bei Federn nach dem Stand der Technik der Fall ist.
Diese Eigenschaft ist wichtig, wenn die Federn in Kombination mit einer Dichtung benötigt werden. Aufgrund der Tatsache, daß Dichtungen im allgemeinen aus einem weichen Material, wie beispielsweise einem Elastomeren oder Kunststoff hergestellt sind, ist die Belastungsverdichtung ein wichtiger Gesichtspunkt, und je geringer die Belastungsverdichtung ist, um so länger ist die Lebensdauer, die der Dichtung verliehen werden kann. Daher, daß erfindungsgemäße Federn eher gleichmäßige Kräfte im Vergleich zu Federn nach dem Stand der Technik ausüben und dabei dünnere Drähte und näher beieinanderliegende Windungen verwenden können, ist die Belastungsverdichtung des mitwirkenden Dichtungsmateriales geringer. Daraus ergibt sich ein effektiveres Abdichten und eine längere Lebensdauer der Dichtung.
Die ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder entsprechend der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine Vielzahl an Windungen enthalten, die entgegen dem Uhrzeigersinn gekippt sind. Vorzugsweise ist der Rückwinkel größer als 1º und kleiner als 40º, und der Frontwinkel kann großer als 15º und kleiner als 55º sein. Die Rückwinkelmittel definieren eine Arbeitsdurchfederung in der die ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder in axialer Richtung bei einem axialen Durchfedern der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder eine im wesentlichen konstante Kraft ausübt, und zwar wenn die Arbeitsdurchfederung zwischen etwa 5 Prozent und etwa 25 oder mehr Prozent Durchfederung der Feder beträgt.
Der Rückwinkel kann kleiner als 40º sein und ist so ausgewählt, daß der Frontwinkel kleiner als 35º betragen kann, was jenseits des Bereiches von jeglichen bislang hergestellten axial belastbaren ringförmig geschlossenen Federn liegt.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen einer ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder die Schritte des Windens eines Drahtes um Windungen herzustellen, die bezüglich einer Mittellinie der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder gekippt sind, wobei jede Windung einen voreilenden Abschnitt und einen nacheilenden Abschnitt aufweist. Der Draht kann so gewunden werden, daß der voreilende Abschnitt unter einem Frontwinkel zu einer Linie senkrecht zur Mittellinie der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder steht, und daß der nacheilende Abschnitt unter einem Rückwinkel zu der senkrechten Linie steht.
Während des Windens des Drahtes, kann das Ausmaß des Rückwinkels eingestellt werden, um die vorgewählte Last-Durchfederungs- Charakteristik der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder zu erzielen. Es sei erwähnt, daß, wenngleich der Rückwinkel speziell gesteuert ist, der entsprechende Frontwinkel in Abhängigkeit von dem Abstand der Windungen variieren kann, wobei dies der mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen ist.
Anschließend werden die beiden Enden des gewundenen Drahtes aneinandergefügt, und zwar derart, daß eine ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder erzielt wird, bei der der nacheilenden Abschnitt längs eines äußeren Durchmessers der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder zum Liegen kommt, und der voreilende Abschnitt längs eines inneren Durchmessers der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder zum Liegen kommt.
So kann insbesondere der Draht in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn gewunden werden, und die Windungen können bezüglich der Mittellinie entgegen dem Uhrzeigersinn gekippt sein. Während des Windens der Windung wird der Rückwinkel so eingestellt, daß die maximale Belastung und die Stelle der totalen Arbeitsdurchfederung der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder bestimmt wird, und der Frontwinkel kann während der Rückwinkel eingestellt wird, konstant gehalten werden. Der Rückwinkel kann größer als 1º und kleiner als 40º gemacht werden, und der Frontwinkel kann größer als 15º und kleiner als 55º gemacht werden. Alternativ kann der Rückwinkel kleiner als 25º und der Frontwinkel kleiner als 35º gemacht werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher ersichtlich, in denen:
Fig. 1 eine theoretische Last-Durchfederungs-Kurve ist, die die verschiedenen Parameter einer axial elastischen Schraubenfeder erläutert;
Fig. 2a und 2b Draufsichten bzw. Seitenansichten einer kreisförmig verschweißten, im Uhrzeigersinn gewundenen Feder sind, die einen Rückwinkel, der einen nacheilenden Abschnitt längs des äußeren Durchmessers der Feder und einen Frontwinkel, der einen voreilenden Abschnitt längs des inneren Durchmessers der Feder definiert, aufweist;
Fig. 3a und 3b Draufsichten bzw. Seitenansichten einer kreisförmigen, entgegen dem Uhrzeigersinn gewundenen Feder sind, die die selben physikalischen Dimensionen wie die in Fig. 2a, 2b gezeigte Feder aufweist, somit ebenfalls einen Rückwinkel aufweist, der einen nacheilenden Abschnitt längs des äußeren Durchmessers der Feder definiert und einen Frontwinkel aufweist, der einen voreilenden Abschnitt längs eines inneren Durchmessers der Feder definiert;
Fig. 4 zeigt Last-Durchfederungs-Kurven für die in Fig. 2 und 3 dargestellten Federn;
Fig. 5 zeigt Last-Durchfederungs-Kurven einer Variation von axial belasteten, entgegen dem Uhrzeigersinn gewundenen Federn, bei denen der nacheilende Abschnitt längs des äußeren Durchmessers angeordnet ist, und zwar mit den in Tabelle 1 dargestellten Maßen;
Fig. 6 Last-Durchfederungs-Kurven von axialen Federn zeigt, die verschiedene Rückwinkel aufweisen;
Fig. 7 eine bildliche Darstellung des Windens einer Feder um einen Dorn ist, wobei dargestellt ist, wie die Feder in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn gewunden wird; und
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer gewundenen Feder in einer Stellung zum Verschweißen oder Verbinden der Enden miteinander zeigt, um eine ringförmig geschlossene Feder zu bilden, die einen nacheilenden Windungsabschnitt längs des äußeren Durchmessers der Feder und einen voreilenden Abschnitt der Windung längs des inneren Durchmessers der Feder aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

In Fig. 1 ist eine beispielshafte Last-Durchfederungs-Kurve 10 zu Zwecken der Erläuterung der Eigenschaften einer ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder mit gekippten Windungen dargestellt, wobei, falls eine Last axial auf die Feder ausgeübt wird, die Feder in einer im allgemeinen linearen Art und Weise durchfedert, wie das durch den Kurvenabschnitt 12 dargestellt ist, bis eine Stelle erreicht ist, nach einem ursprünglichen Durchfedern, ab der die Lasten dann relativ konstant bleiben.
Zwischen dem minimalen Lastpunkt 14 und einem maximalen Lastpunkt 16 verläuft die Last-Durchfederungs-Kurve konstant, oder zeigt die in Fig. 1 ersichtliche geringe Zunahme. Der Bereich zwischen dem minimalen Lastpunkt 14 und dem maximalen Lastpunkt 16 ist als Bereich 18 der Arbeitsdurchfederung bekannt. Die Feder wird normalerweise im Betrieb in diesem Bereich belastet, wie das durch die Stelle 20 angedeutet ist, beispielsweise eine typische Feder, die in Zusammenhang mit einer Dichtung, einer Dichtanordnung oder dgl. zu Abdichtungszwecken eingesetzt wird. Ein Belasten der Feder jenseits des maximalen Lastpunktes 16 resultiert in einem abrupten Durchfederungsansprechen, bis ein Stoßpunkt 22 erreicht ist, ab dem ein andauerndes Aneinandersetzen der Feder aufgrund einer Überlast vorliegt. In Fig. 1 ist außerdem der Bereich 24 der totalen Durchfederung angedeutet, der als die Durchfederung zwischen der unbelasteten Feder und der Durchfederung am maximalen Lastpunkt 16 definiert ist.
Fig. 2a und 2b zeigen eine erfindungsgemäße kreisförmig verschweißte Feder 30, die eine Vielzahl an Windungen 32 aufweist, die im Uhrzeigersinn gewunden sind (siehe Pfeil 34), und die längs deren Mittellinie 36 entgegen dem Uhrzeigersinn gekippt sind.
Wie näher aus Fig. 2b zu entnehmen, weist jede Windung einen nacheilenden Abschnitt 40 und einen voreilenden Abschnitt 42 auf, wobei der nacheilende Abschnitt einen Rückwinkel 48 aufweist, der Mittel darstellt, die sowohl die Neigung des nacheilenden Abschnittes 40 jeder Windung 32 bezüglich einer Normallinie 50 definieren, als auch den elastischen Arbeitsbereich der Feder 30, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird, bestimmen.
Ein Frontwinkel 54 schafft Mittel, um die Neigung des voreilenden Abschnittes 42 der Windung 32 bezüglich der Normallinie zu definieren.
Die Feder 30 wird dadurch gebildet, daß die Windungen 32 derart untereinander verbunden werden, daß eine ringförmig geschlossene, axial elastische Feder geschaffen wird, bei der der nacheilende Abschnitt 40 längs eines äußeren Durchmessers 58 (siehe Fig. 2a) der Feder 30 und der voreilende Abschnitt 42 längs eines inneren Durchmessers 60 der Feder zum Liegen kommt.
Wie das am deutlichsten aus Fig. 2b zu entnehmen ist, weist eine erfindungsgemäße Feder 30 jeweils einen voreilenden Abschnitt 42 auf, der unter einem Frontwinkel 54 steht, der größer ist als der Rückwinkel 48, der den nacheilenden Abschnitt 40 definiert. D.h., wird einer Windung kreisförmig um die Mittellinie 36 nachgegangen, so weist jede Umdrehung einen nacheilenden Abschnitt und einen voreilenden Abschnitt auf, wobei der voreilende Abschnitt längs der Mittellinie 36 mehr fortschreitet als das Fortschreiten längs der Mittellinie 36, wenn man dem nacheilenden Abschnitt 40 der Feder folgt.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße ringförmig verschweißte Feder 68, die die selben physikalischen Maße und Drahtgrößen wie die in Fig. 2a und 2b gezeigte Feder 30 aufweist, wobei die Feder 68 entgegen dem Uhrzeigersinn gewunden ist (siehe Pfeil 70).
Dazu weist die Feder 68 eine Vielzahl an Windungen 72 auf, von denen jede einen nacheilenden Abschnitt 74 und einen voreilenden Abschnitt 76 aufweist, die jeweils durch einen Rückwinkel 80 und einen Frontwinkel 82, wie dies in Fig. 3b dargestellt ist, definiert sind.
Ähnlich wie bei der Feder 30, sind die Windungen 72 der Feder 68 derart untereinander verbunden, daß eine ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder 68 gebildet wird, bei der der nacheilende Abschnitt längs des äußeren Durchmessers 86 und der voreilende Abschnitt längs des inneren Durchmessers 84 der Feder zum Liegen kommt.
Die erfindungsgemäßen Federn 30, 68 weisen folgendes auf, einen Innendurchmesser von etwa 21,336 mm (0,84 inches), eine Windungshöhe (h) von etwa 4,114 mm (0,162 inches), einen Windungsabstand (e) von etwa 1,117 mm (0,044 inches) mit einem Draht, der einen Durchmesser (d) von 1,117 mm (0,022 inches) aufweist und einen Rückwinkel mit 14º und einen Frontwinkel mit 25º. Die Federn 30, 68 weisen unterschiedliche Kraft-Durchfederungs-Eigenschaften wie (nicht dargestellte) Federn aus dem Stand der Technik auf, die die selben Ausmaße aufweisen, bei denen jedoch der nacheilende Abschnitt der Feder längs der inneren Seite der Feder angeordnet ist. Dies ist in Fig. 4 dargestellt, die die Kraft gegenüber der Durchfederung der Windung in Prozent der Windungshöhe zeigt.
Kurve A von Fig. 4 spiegelt die Funktion der Feder 30 oder 68 wieder, wohingegen die Kurve B die Funktion einer Feder nach dem Stand der Technik darstellt, die in ihrer physikalischen Spezifikation identisch ist, bei der jedoch der nacheilende Abschnitt längs der Innenseite der Feder angeordnet ist. Obwohl die beiden Federn etwa identische Kraft-Durchfederungs-Charakteristika im Bereich ihrer Arbeitsdurchfederung aufweisen, beträgt der Unterschied der maximalen Lastpunkte etwa 40 Prozent.
Es wurde herausgefunden, daß entsprechend der vorliegenden Erfindung der Rückwinkel von einem Grad bis 35 Grad variiert werden kann, solange der Frontwinkel 54 größer ist als der Rückwinkel und größer als 20 Grad und geringer als 55 Grad ist. Eine Variierung des Rückwinkels der Feder beeinflußt erheblich die Elastizitätseigenschaften der Feder, und zwar unabhängig vom Frontwinkel. Dies ist in Fig. 5 dargestellt, die eine Kraft- Durchfederungs-Kurve für die Federn C und D zeigt, die die in Tabelle 1 ersichtlichen Federparameter aufweisen.
Federn C und D sind identische Federn, die den selben Drahtdurchmesser, den selben Federinnendurchmesser, die selbe Windungshöhe und annähernd den selben Frontwinkel aufweisen, jedoch ist der Rückwinkel und dementsprechend der Abstand zwischen den Windungen variiert. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Arbeitsdurchfederung der Feder D annähernd 50 Prozent beträgt, wohingegen die Arbeitsdurchfederung der Feder C 45 Prozent beträgt. Dies ist unabhängig vom Frontwinkel. Demzufolge können Federn mit veränderlichen Elastizitätseigenschaften gestaltet werden, beispielsweise die Kraft die notwendig ist, um die Feder durchzufedern, wobei Federn eingesetzt werden, die den selben Drahtdurchmesser, den selben Innendurchmesser und die selbe Windungshöhe aufweisen, was bislang nur möglich war, wenn der Frontwinkel der Feder verändert wurde.
Wie zuvor beschrieben, können zunehmende Kraft-Durchfederungs- Charakteristika vorteilhafterweise in Zusammenhang mit abdichtenden oder Dichtungsmaterialien verwendet werden, wobei die Aushöhlung für die Feder vorbestimmt ist, wobei letztere den Innendurchmesser (I.D.) der Feder und die Windungshöhe vorgibt. Tabelle 1 Feder Nr. Drahtdurchm.(d) (inches) Feder I.D. (inches) Windungshöhe (h) (inches) Rückwinkel (Grad) Frontwinkel (Grad) Windungsabstand (e) (inches) Tabelle 2 Feder Nr. Drahtdurchm.(d) (inches) Feder I.D. (inches) Windungshöhe (h) (inches) Rückwinkel (Grad) Frontwinkel (Grad) Windungsabstand (e) (inches)
Wird der Windungsabstand konstant gehalten, so kann der Rückwinkel zusammen mit dem Frontwinkel verändert werden, damit in herkömmlicher Weise eine Feder gestaltet werden kann, um die Elastizitätsscharakteristika jeweils maßzuschneidern. Je kleiner beispielsweise der Rückwinkel ist, desto höher ist die notwendige Kraft, um die Feder zusammenzudrücken, wie das in Fig. 6 für die Federn E, F und G, wie sie in Tabelle 2 definiert sind, gezeigt ist. Dies ermöglicht, Federn mit dünnerem Draht und einem geringen Windungsabstand herzustellen. Umgekehrt wird die Arbeitsdurchfederung, falls der Rückwinkel vergrößert wird, ebenfalls größer, wenn der Windungsabstand konstant gehalten wird.
Wie aus Fig. 6 zu entnehmen, nimmt die Feder E wesentlich größere Lasten im Bereich der Arbeitsdurchfederung als Feder G auf, die größere Rück- und Frontwinkel aufweist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ist ein Verfahren zum Herstellen einer ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder entsprechend der vorliegenden Erfindung gezeigt, und zwar durch Winden eines Drahtes 90 im Uhrzeigersinn, wie dies durch einen Pfeil 92 angedeutet ist, um einen Dorn 94. Alternativ dazu kann ein Draht 96 entgegen dem Uhrzeigersinn um den Dorn 94 in Fig. 7 gewickelt werden, wie dies durch den Pfeil 98 angedeutet ist.
Es sei hervorgehoben, daß der Draht im oder entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt werden kann, und demzufolge sind die Windungen im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gekippt. In beiden Fällen ist die Ausführung die selbe, solange die nacheilende Kante der gebildeten ringförmig geschlossenen Feder 30 längs des Außendurchmessers der Feder 30 angeordnet ist. Der Draht 90 bzw. der Draht 96 ist um den Dorn 94 bezüglich einer Mittellinie 100 desselben gewickelt, so daß jede Windung, wie zuvor beschrieben, einen voreilenden Abschnitt und einen nacheilenden Abschnitt aufweist, wobei jeder Abschnitt durch einen Frontwinkel bzw. einen Rückwinkel beschrieben ist. Während des Windens des Drahtes wird die Größe des Rückwinkels eingestellt, um die vorgewünschte Elastizität der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder 30 zu erreichen. Nachfolgend auf das Winden des Drahtes 90 bzw. 96 werden die Enden 110, 112 des gewundenen Drahtes aneinandergefügt, um eine ringförmig geschlossene, axial elatische Schraubenfeder zu bilden, bei der der nacheilende Abschnitt 40 längs des äußeren Durchmessers der Feder 30 und der voreilende Abschnitt 42 längs des inneren Durchmessers der Feder 30 angeordnet ist, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist.

Claims

1. Ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder, enthaltend:

eine Vielzahl an entlang deren Mittellinie (36) gekippten Windungen (32, 72), wobei jede Windung (32, 72) einen nacheilenden Abschnitt (40, 74) und einen voreilenden Abschnitt (42, 76) aufweist, wobei der voreilende Abschnitt (42, 76) längs der Mittellinie (36) mehr fortschreitet, als das Fortschreiten längs der Mittellinie (36), wenn man dem Lauf des nacheilenden Abschnittes (40, 74) folgt, wobei die Neigung des nacheilenden Abschnittes (40, 74) jeder Windung (32, 72) durch deren Rückwinkel (48, 80) bezüglich einer Linie (50), die senkrecht zur Mittellinie (36) und senkrecht zu der Ebene verläuft, die durch die ringförmig geschlossene Schraubenfeder gebildet wird, bestimmt ist;

wobei die Neigung des voreilenden Abschnittes (42, 76) jeder Windung (32, 72) durch deren Frontwinkel (54, 82) bezüglich einer Linie (50), die senkrecht zur Mittellinie (36) und senkrecht zu der Ebene verläuft, die durch die ringförmig geschlossene Schraubenfeder gebildet ist, bestimmt ist;

wobei der Frontwinkel (54, 82) größer als der Rückwinkel (48, 80) ist; und

wobei die Windungen (32, 72) derart untereinander verbunden sind, daß sie eine ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder bilden, dadurch gekennzeichnet,

daß der Rückwinkel (48, 80) zum Festlegen der Kraft-Biege-Charakteristik der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder dient,

und daß der nacheilende Abschnitt (40, 74) längs des äußeren Durchmessers der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder angeordnet ist, und der voreilende Abschnitt (42, 76) längs des inneren Durchmessers der ringförmig geschlossenen, axial elastischen Schraubenfeder angeordnet ist.

2. Ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzähl an Windungen (72), in Seitenansicht der ringförmig geschlossenen Schraubenfeder gesehen, entgegen dem Uhrzeigersinn gekippt sind.

3. Ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwinkel (48, 80) größer als 1 Grad und kleiner als 40 Grad ist, und daß der Frontwinkel (54, 82) größer als 15 Grad und kleiner als 55 Grad ist.

4. Ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwinkel (48, 80) kleiner als 25 Grad ist.

5. Ringförmig geschlossene, axial elastische Schraubenfeder nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Frontwinkel (54, 82) kleiner als 35 Grad ist.