DE10312977A1

DE10312977A1 - Federelement

Info

Publication number: DE10312977A1
Application number: DE2003112977
Authority: DE
Inventors: Clemens Willke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-07

Abstract

Um bei einem Federelement mit einem ersten Anlageabschnitt und einem zweiten Anlageabschnitt und mit wenigstens zwei den ersten Anlageabschnitt mit dem zweiten Anlageabschnitt verbindenden federelastischen Brückenabschnitten, wobei die wenigstens zwei Anlageabschnitte relativ zueinander entgegen der Rückstellkraft der wenigstens zwei federelastischen Brückenabschnitte in einer ersten Richtung auslenkbar sind, eine größere Dämpfung im Schwingungsfall zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die wenigstens zwei Brückenabschnitte 4, 5, 6 an dem Federelement 1 derart ausgebildet sind, dass bei einer Auslenkung eines Anlageabschnittes 2, 3 in der ersten Richtung x eine in einer zu der ersten Richtung x senkrechten zweiten Richtung y wirkende Kraftkomponente den in der ersten Richtung ausgelenkten Anlageabschnitt 2, 3 zusätzlich in der zweiten Richtung y auslenkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1. Derartige Federelemente werden beispielsweise in Getriebeteilen, Ventilen oder anderen Komponenten eines Kraftfahrzeuges eingesetzt, um zwei relativ zueinander bewegliche Bauteile mit einer Federkraft zu beaufschlagen. Die auch als Membranfedern bekannten Federelemente besitzen einen flachen, plattenartigen Grundkörper, der einen inneren kreisringförmigen und einen äußeren kreisringförmigen Anlageabschnitt zur Anlage an den beweglichen Bauteilen aufweist. Die beiden Anlageabschnitte sind über drei federelastische Brückenabschnitte, die geometrisch gleichartig aufgebaut sind und gleichmäßig in Abständen von 120° über den Außenumfang des inneren Anlagebereichs beziehungsweise den Innenumfang des äußeren Anlageabschnitts verteilt sind, miteinander verbunden. Die Federelemente lassen sich in einer axialen Richtung senkrecht zu der Ebene des flächigen Grundkörpers auslenken. In radialer Richtung sind die Brückenabschnitte steif ausgebildet und weisen eine nur sehr geringe federelastische Wirkung auf. Außerdem kompensieren sich bei eine Auslenkung des Federelementes in axialer Richtung aufgrund der symmetrischen Anordnung der drei Federelemente in 120° Winkeln alle Radialkräfte, so dass in der Summe keine resultierende Radialkraft wirken kann.
Vibrationsbelastungen und Stöße rufen bei einer Anordnung, welche aus dem Federelement und den beiden an den Anlageabschnitten des Federelementes anliegenden Bauteilen gebildet wird, nachteilige Schwingungen hervor, welche die Funktionsweise der Anordnung verschlechtern können. Wird das Federelement beispielsweise in einem Stellglied oder Ventil verwandt, ist es wünschenswert, nach einem Stoß oder im Falle von Vibrationsbelastungen durch Unterdrückung der Schwingungen zwischen den beiden mittels des Federelementes verbundenen Bauteilen möglichst schnell wieder in einen definierten Ausgangszustand zurückzugelangen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Federelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei Verwendung des Federelementes in einem schwingungsfähigen System Schwingungen nach einer Auslenkung des Federelementes in einer ersten Richtung besser unterdrückt werden können. Dies wird durch eine besondere Ausbildung der federelastischen Brückenelemente des Federelementes erreicht. Die Brückenelemente sind an dem Federelemente vorteilhaft derart ausgebildet, dass bei einer Auslenkung eines Anlagebereichs des Federelementes in einer ersten Richtung zusätzlich zu der in dieser Richtung wirkenden Rückstellkraft eine dazu senkrecht wirkende resultierende Kraftkomponente entsteht, die zu einer Auslenkung des Anlagebereichs auch in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung führt. Ist eines der an dem Anlageabschnitt des Federelementes anliegenden Bauteile in der ersten Richtung in einem Lager geführt, so bewirkt die in der zweiten Richtung wirkende senkrechte Kraftkomponente eine Erhöhung der Reibung dieses Bauteil in dem Lager, woraus eine stärkere Dämpfung der Schwingung resultiert. Ein Nachschwingen kann daher schneller unterdrückt werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erster federelastischer Brückenabschnitt geometrisch anders ausgebildet ist und andere federelastische Eigenschaften aufweist als wenigstens ein zweiter federelastischer Brückenabschnitt. Bei einer Auslenkung eines Anlagebereichs in einer beispielsweise axialen ersten Richtung kompensieren sich daher die in radialer Richtung wirkenden Rückstellkräfte der federelastischen Brückenelemente nicht gegenseitig. Die resultierende Radialkraft lenkt den Anlageabschnitt dann auch in radialer Richtung aus, was bei einer Verwendung des Federelementes in einem schwingungsfähigen System, bei dem ein mit dem Federelement gekoppeltes Bauteil in einem Axiallager geführt ist, zu einer erhöhten Dämpfung führt. Besonders einfach ist es, wenn der erste federelastische Brückenabschnitte eine andere Breite aufweist, als die übrigen Brückenabschnitte.
In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel, bei dem die Brückenabschnitte geometrisch gleichartig aufgebaut sein können, ist vorgesehen, dass die Brückenabschnitte zwischen dem ersten Anlageabschnitt und dem zweiten Anlageabschnitt derart unsymmetrisch angeordnet sind, dass sich bei einer Auslenkung eines Anlageabschnitts in der ersten Richtung die senkrecht zu der ersten Richtung wirkenden Kraftvektoren nicht gegenseitig kompensieren und zu einer Auslenkung eines Anlageabschnitts in der senkrechten Richtung führen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
1 eine Federelement nach dem Stand der Technik.
2a ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Federelementes in Draufsicht und in der 2b in Seitenansicht,
3a ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Federelementes in Draufsicht und in der 3b in Seitenansicht.
4 ein schwingungsfähiges System mit dem erfindungsgemäßen Federelement.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Federelement, welches auch als Membranfeder bezeichnet wird. Das Federelement weist einen plattenförmigen Grundkörper mit einem inneren kreisringförmigen ersten Anlageabschnitt 3 und einem den inneren Anlageabschnitt 3 umgebenden äußeren kreisringförmigen Anlageabschnitt 2 auf. Die beiden Anlageabschnitte sind über drei federelastische Brückenabschnitte 4, 5 und 6 miteinander verbunden. Die Brückenabschnitte sind geometrisch gleichartig aufgebaut und in gleichmäßigen Winkelabständen von 120° über den Außenumfang des ersten Anlageabschnitts 3 und den Innenumfang des zweiten Anlageabschnitts 2 verteilt. In einer senkrecht zur Zeichnungsebene der 1 verlaufenden ersten Richtung, welche im folgenden als axiale Richtung bezeichnet wird, weisen die Brückenabschnitte 4, 5, 6 eine deutlich höhere federelastische Wirkung auf als in einer dazu senkrechten zweiten Richtung, welche im folgenden als radiale Richtung bezeichnet wird. In radialer Richtung sind die Brückenabschnitte sehr steif und wenig nachgiebig. Die beiden Anlageabschnitte 2 und 3 dienen zur Anlage an zwei relativ zueinander beweglichen Bauteilen, so dass diese Bautei le unter dem Einfluss der Federkraft des Federelementes 1 in axialer Richtung zueinander hin oder weg bewegt werden können. Bei einer Auslenkung des ersten Anlageabschnitts 3 relativ zu dem zweiten Anlageabschnitt 2 werden die federelastischen Brückenelemente 4, 5, 6 elastisch verformt, wodurch eine der Auslenkung entgegenwirkende Rückstellkraft in axialer Richtung erzeugt wird. Aufgrund des völlig symmetrischen Aufbaus des Federelementes in 1 kompensieren sich alle möglichen in radialer Richtung wirkenden Federkräfte, weil jeder in einer radialen Richtung wirkenden Federkraft eines Brückenabschnitts eine entsprechend gleich große, in der entgegengesetzten Richtung wirkende Kraftkomponente eines anderen Brückenabschnitts entgegenwirkt.
2a und 2b zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Federelementes 1. Die etwa kreisbogenförmigen Brückenabschnitte 4, 5, 6 weisen Enden 4a, 5a, 6a die mit dem Außenumfang 3a des ersten kreisringförmigen Anlageabschnitts 3 an jeweils um 120° versetzten Stellen verbunden sind. Die zweiten Enden 4b, 5b, 6b der Brückenabschnitte 4, 5, 6 sind mit dem Innenumfang 2b des zweiten kreisringförmigen Anlageabschnitts 2 an jeweils um 120° versetzten Stellen verbunden. Das Federelement 1 in 2a und 2b unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Federelement dadurch, dass der erste federelastische Brückenabschnitt 6 andere geometrische Abmessungen und daher auch andere federelastische Eigenschaften aufweist als die übrigen beiden federelastischen Brückenabschnitte 4 und 5. Bei dem in der 2a gezeigten Federelement weist der erste Brückenabschnitt 6 beispielsweise eine größere Breite b auf als die Breite a der beiden anderen Brückenabschnitte 4 und 5. Bei einer Auslenkung des ersten Anlageabschnitts 3 in axialer Richtung x wirken daher unterschiedliche Radialkräfte auf den Anlageabschnitt 3, die sich nicht alle gegenseitig kompensieren. So wird beispielsweise die von dem andersartigen ersten Brückenabschnitt 6 aufgebrachte Radialkraft nicht von den entgegengesetzt wirkenden schwächeren radialen Kraft komponenten der Brückenabschnitte 4 und 5 vollständig kompensiert, so dass der erste Anlageabschnitt 3 durch die resultierende unkompensierte radiale Kraftkomponente in der radialen Richtung y ausgelenkt wird.
Die zusätzliche Auslenkung in radialer Richtung y hat eine stärkere Dämpfung von Schwingungen des Federelementes 1 zur Folge. Das Federelement 1 kann beispielsweise mit dem zweiten Anlageabschnitt 3 in einer vibrationsbelasteten Komponente eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise einem Hydraulikventil eines Getriebes, ortsfest befestigt sein, während sich der erste Anlageabschnitt 3 an einem beweglichen Bolzen abstützt, der den Innenumfang 3b des ersten Anlageabschnitts durchgreift. Im Falle von Stoß- und/oder Vibrationsbelastungen des Hydraulikventils schwingt das aus Bolzen und Federelement gebildete schwingungsfähige System, wobei durch die zusätzliche radiale Auslenkung des ersten Anlageabschnitts relativ zu dem zweiten Anlageabschnitt stärkere Reibungsverluste während der Schwingung auftreten, die im Vergleich zu einem System, welches das in 1 gezeigte Federelement verwendet, zu einer stärkeren Dämpfung der Schwingung führen, was wünschenswert ist, da das System so schneller in seine ursprüngliche Ausgangslage zurückkehrt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in 3a und 3b dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die federelastischen Brückenabschnitte 4, 5 und 6 geometrisch gleichartig aufgebaut. Jedoch sind die Brückenabschnitte 4, 5, 6 zwischen dem ersten Anlageabschnitt 3 und dem zweiten Anlageabschnitt 2 nicht gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. So ist der Winkel α zwischen der Befestigungsstelle des Brückenabschnitts 4 und der Befestigungsstelle des Brückenabschnitts 6 am zweiten Anlageabschnitt 2 größer als die Winkel β zwischen der Befestigungsstelle des Brückenabschnitts 4 und der Befestigungsstelle des Brückenabschnitts 5 am zweiten Anlageabschnitt 2 und auch größer als der Winkel γ zwischen der Befestigungsstelle des Brückenabschnitts 5 und der Befestigungsstelle des Brückenabschnitts 6 am zweiten Anlageabschnitt. Auch in diesem Fall kompensieren sich bei einer Auslenkung eines Anlageabschnitts in der ersten Richtung x die senkrecht zu der ersten Richtung wirkenden Kraftvektoren nicht gegenseitig, so dass eine resultierende nicht kompensierte Radialkraft verbleibt, wodurch der erste Anlageabschnitt 3 in radialer Richtung ausgelenkt wird, was im Schwingungsfall zu einer höheren Dämpfung führt.
Natürlich sind auch Mischformen des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels möglich, bei dem die Brückenabschnitte nicht gleichmäßig im Umfangssinn verteilt sind und auch nicht den gleichen geometrischen Aufbau aufweisen. Auch ist die Erfindung nicht auf flächige Federelemente beschränkt und kann beispielsweise auch bei konischen oder anderen Federelementen eingesetzt werden. Auch die Anzahl der federelastischen Brückenabschnitte ist nicht auf drei beschränkt.
4 zeigt ein System, bestehend aus dem Federelement 1 aus 2 oder 3 und einem an dem ersten Anlageabschnitt 3 anliegenden ersten Bauteil 30 und einem an dem zweiten Anlageabschnitt 2 anliegenden zweiten Bauteil 20. Bei dem System kann es sich beispielsweise um ein in einem Hydraulikventil eingesetztes schwingungsfähiges System handeln. Das Federelemente 1 ist mit den zweiten Anlageabschnitt 2 an dem Bauteil 20, beispielsweise dem Ventilgehäuse, festgelegt, während der erste Anlageabschnitt 1 mit einem beweglichen Bolzen 30 verbunden ist, der in einem Axiallager 21 in x-Richtung beweglich gelagert ist und auf ein nicht dargestelltes Ventilglied einwirkt. Bei einer Auslenkung des Federelementes 1 in x-Richtung bewirkt die in y-Richtung wirkende Radialkraft des Federelementes 1 eine geringe Auslenkung des Bolzens 30 gegen die Innenwand des Lagers 21, wodurch die Reibung vergrößert wird und die Schwingungsbewegung des Bolzens vorteilhaft gedämpft wird.

Claims

Federelement mit einem ersten Anlageabschnitt und einem zweiten Anlageabschnitt und mit wenigstens zwei den ersten Anlageabschnitt mit dem zweiten Anlageabschnitt verbindenden federelastischen Brückenabschnitten, wobei die wenigstens zwei Anlageabschnitte relativ zueinander entgegen der Rückstellkraft der wenigstens zwei federelastischen Brückenabschnitte in einer ersten Richtung auslenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Brückenabschnitte (4, 5, 6) an dem Federelement (1) derart ausgebildet sind, dass bei einer Auslenkung eines Anlageabschnittes (2, 3) in der ersten Richtung (x) eine in einer zu der ersten Richtung (x) senkrechten zweiten Richtung (y) wirkende Kraftkomponente den in der ersten Richtung ausgelenkten Anlageabschnitt (2, 3) zusätzlich in der zweiten Richtung (y) auslenkt.
Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) mit den Anlageabschnitten (2, 3) und Brückenabschnitten (4, 5, 6) einteilig ausgebildet ist und insbesondere als Stanzteil hergestellt ist.
Federelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) einen flächigen Grundkörper aufweist und dass der zweite Anlageabschnitt (2) in der Ebene des flächigen Grundkörpers den ersten Anlageabschnitt (3) umgibt.
Federelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anlageabschnitt (3) und der zweite Anlageabschnitt (2) kreisringförmig ausgebildet sind.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anlageabschnitt (3) an einer ersten Stelle seines Außenumfangs (3a) mit dem Ende (6a) eines ersten federelastischen Brückenabschnitts (6) verbunden ist, dessen anderes Ende (6b) an einer ersten Stelle des Innenumfangs (2b) des zweiten Anlageabschnitts (2) festgelegt ist, und dass der erste Anlageabschnitt (3) an einer anderen Stelle seines Außenumfangs mit dem Ende (4a) eines zweiten federelastischen Brückenabschnitts (4) verbunden ist, dessen anderes Ende (4a) an einer zweiten Stelle des Innenumfangs (2b) des zweiten Anlageabschnitts (2) festgelegt ist.
Federelement nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement drei federelastische Brückenabschnitte (4, 5, 6) aufweist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster federelastischer Brückenabschnitt (6) geometrisch anders ausgebildet ist und andere federelastische Eigenschaften aufweist als ein zweiter federelastischer Brückenabschnitt (4, 5).
Federelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste federelastische Brückenabschnitte (6) eine andere Breite aufweist als der wenigstens eine zweite Brückenabschnitt (4, 5).
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenabschnitte (4, 5, 6) zwischen dem ersten Anlageabschnitt (3) und dem zweiten Anlageabschnitt (2) im Umfangssinn derart ungleichmäßig verteilt angeordnet sind, dass sich bei einer Auslenkung eines Anlageabschnitts in der ersten Richtung (x) die senkrecht zu der ersten Richtung wirkenden Kraftvektoren nicht gegenseitig kompensieren.
Federelement nach Anspruch 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Brückenabschnitte nicht gleichmäßig auf den Außenumfang (3a) des ersten Anlageabschnitts (3) und/oder dem Innenumfang (2b) des zweiten Anlageabschnitts (2) verteilt sind.
System mit einem Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einem an dem ersten Anlageabschnitt (3) anliegendem ersten Bauteil (20) und einem an dem zweiten Anlageabschnitt (2) anliegenden zweiten Bauteil (30), wobei das erste Bauteil relativ zu dem zweiten Bauteil in einem Lager (21) und/oder einer Führung in der ersten Richtung (x) beweglich gelagert ist und eine Auslenkung des ersten Bauteils (30) in einer zu der ersten Richtung senkrechten Richtung (y) zur einer Erhöhung der in dem Lager (21) und/oder der Führung auftretenden Reibungsverluste führt.