本发明涉及具有活塞和壳体的弹簧装置，活塞可以沿运动方向被引入壳体中，其中，在活塞与壳体之间形成有腔。本发明还涉及用于固定机械元件的固定装置以及与固定机械元件有关的弹簧装置的用途。
这种弹簧装置例如用于机械的振动阻尼式安装。
de1958660u描述了具有中空筒形壳体和以可移动的方式设置在该壳体中的活塞的弹簧装置。在活塞与壳体之间存在有筒形腔，并且筒形腔填充有包含泡沫的阻尼介质。泡沫具有填充有气体的气泡。在活塞的使腔减小的运动中，气体填充的气泡被压缩并且因此活塞的运动被弹性弹回并被阻尼。
在这样的弹簧装置中，腔的体积改变可以通过压缩容纳在气泡中的气体来产生。缺点在于弹簧装置能够吸收的最大压力受限于所使用的气体的体积模量，所使用的气体的体积模量在大气压下通常小于1mpa。因此，这样的泡沫不能用于具有紧凑设计的弹簧装置中的由于较大力而造成的特别高压力的弹回和/或阻尼。
在以下公开中描述了其他弹簧装置：us2263599a、de1759755a、de1675012、de2342370c2、us3434708a、de7439698u、us3039757a、us3376031a。
技术实现要素：
本发明的目的在于允许紧凑设计中的较大力的弹性弹回。
为了实现该目的，提出了一种具有活塞和壳体的弹簧装置，其中，活塞能够沿运动方向被引入壳体中，其中，在活塞与壳体之间形成有腔，其中，在腔中设置有可压缩的实心体弹簧元件并且实心体弹簧元件由能够被活塞压缩的实心材料构成。
活塞的面向实心体弹簧元件的至少一个表面形成为呈锥形或凹形。这允许压缩时进行作用的分力向内定向、特别地至少大致朝向实心体弹簧元件的中心点定向。因此，活塞的面向实心体弹簧元件的至少一个表面可以形成为呈锥形或凹形，使得在压缩情况下作用在所述至少一个表面上的分力还使活塞扩张。这在实心体弹簧元件中和活塞上或与壳体的接合面上提供了特别有利的压力分布。
通过根据本发明的弹簧装置，当腔通过穿入到壳体中的活塞而被减小时，实心体弹簧元件的实心材料被压缩。与气体相比，实心可压缩材料具有较高的体积模量，使得对于相同的腔减小量，实心可压缩材料可以吸收较大的力。另外，与气体相比，在实心体弹簧元件的情况下仅产生非常轻微的温度增加。另外，气体中的弹簧压缩是更为明显的。因此，通过根据本发明的弹簧装置，可以在不必扩大弹簧装置的尺寸、特别是壳体与活塞之间的腔的尺寸的情况下吸收较高力。
优选地，实心体弹簧元件构造为全材料的实心体弹簧元件。这意味着实心体弹簧元件没有凹部、夹杂物或孔。实心体弹簧元件优选地不能发泡或者优选地形成为没有流体填充的腔。
实心体弹簧元件可以由若干个部段、特别是彼此不对准的部段以例如下述布置形成：一个部段的一个端面侧向地作用在另一部段的壳表面上。此处，可以在若干个维度上发生弹回，所述若干个维度包括沿着不同对准轴线的若干个作用方向或若干个撞击点或力矢量。各个部段可以各自具有特定的体积模量。
在优选实施方式中，实心体弹簧元件大致完全、优选地完全填充活塞与壳体之间的腔。如果存在最小的间隙，则其特别对于安装而言会是有用的。因此，完全填充也可以指至少在操作载荷下完全填充。完全填充使得各个表面相互接触。于是，实心体弹簧元件不能在腔内扩张或移位，使得实心体弹簧元件的材料的可压缩性主要并且优选地唯一决定弹簧的特性。于是，压缩以最小的体积改变进行。(在卸载状态下)可能仍存在的任何自由体积比活塞的冲程或行程体积小得多。
弹簧装置的壳体可以被制成为一件式或多件式。优选地，壳体与活塞并不彼此气密密封，使得简单结构成为可能。
根据优选实施方式，实心体弹簧元件由塑料制成。特别优选地，该塑料是热塑性塑料。替代性地，该塑料可以是弹性体。
已经证明，如果实心体弹簧元件的体积模量在100mpa至100,000mpa、优选地在1,000mpa至6,000mpa的范围内则是有利的。优选地，壳体和/或活塞的弹性模量比实心体弹簧元件的体积模量的大至少三倍、优选地大10倍至100倍。例如，壳体和/或活塞可以由金属、特别是钢、铝或有色金属制成。
实心体弹簧元件由聚乙烯制成的实施方式是特别优选的。因此，弹簧装置可以经济地生产。特别优选地，实心体弹簧元件由超高分子量的聚乙烯(pe-uhmw)制成。替代性地，实心体弹簧元件可以由聚酰胺制成。
在有利的实施方式中，实心体弹簧元件由各自具有不同体积模量的至少两个被涂覆部段组装而成。以此方式，弹簧装置的刚度和/或渐进性能可以被特别精确地设定。例如，这些部段可以在活塞的运动方向上接连地设置。
根据一个示例性实施方式，实心体弹簧元件由至少两个部段形成，所述至少两个部段设置成彼此接触并沿不同的作用方向，每个部段位于壳体的若干个腔的一个腔中，特别地，一个部段的端面在一部段/另一部段的侧向壳表面上。这对于要被阻尼的力的方向及关于力的分解(体积转换器)两者而言提供了较高灵活性。
如所述的，如果活塞的面向实心体弹簧元件的至少一个表面形成为呈锥形或凹形则是有利的。在使腔减小的运动中，当时存在于实心体弹簧元件中的准静态压力产生导致使活塞扩张并且因此使活塞与壳体之间的间隙减小或者导致活塞接触壳体内面的分力。实心体弹簧元件的材料的挤出风险被降低，这也延长了弹簧装置的使用寿命。这种作用也可以被描述为腔密封，所述腔密封随着载荷增大而自改善。
此外，最初所述的目的通过用于使用上述弹簧装置固定机械元件的固定装置来实现。因此，可以以巧妙的方式以非常紧凑的部件一起实现若干个功能。特别地，上述优点于是适用该固定装置。
在有利的实施方式中，活塞和/或实心体弹簧元件具有圆形横截面。这提供了特别紧凑、稳固且简单的设计，该设计能够被较好地整合在较小腔中。
替代性地，活塞和/或实心体弹簧元件具有环形横截面的实施方式是优选的。这具有下述优点：在呈环形式的孔中可以设置有诸如螺钉或铆钉之类的连接装置。在这种情况下，已经证明，如果活塞和/或实心体弹簧元件绕能够接纳螺钉的筒形通孔同心地设置则是特别有利的。固定装置优选地具有接纳在通孔中的螺钉。在某种程度上，弹簧装置可以用作螺钉连接的保持元件。
根据一个示例性实施方式，活塞位于或者被带动靠置在壳体的内侧上，特别是位于或者被带动靠置在整个周边上。这提供了较高的稳固性和精确限定的阻尼特性。
根据一个示例性实施方式，活塞与壳体一起形成腔的内界面或内壳表面，所述腔至少能够被活塞压缩。这对于高压载荷而言提供了紧凑且稳定的布置。
根据一个示例性实施方式，活塞的面向实心体弹簧元件的所有表面形成为呈锥形或凹形，从而与抵靠活塞的实心体弹簧元件的对应的凸形形式相符合。这允许实心体弹簧元件的有利嵌置，特别就压力分布而言是有利的。
根据一个示例性实施方式，形成在壳体与活塞之间的拐角大于90°、特别地大于125°。这进一步促进了嵌置。
根据一个示例性实施方式，腔是由凹形表面部分或平坦表面部分围起的，所述凹形表面部分或平坦表面部分不断地或者以大于90°、特别地大于125°的角度彼此转换。这甚至在较高压力和较高力下提供良好的压缩性能而不使实心体弹簧元件承受较大的应力。
根据一个示例性实施方式，在两侧上于壳体的两个端面上均设置有活塞。这就对称性和实心体弹簧元件上的致动或力作用而言也具有优点。
根据一个示例性实施方式，在一侧或两侧，活塞具有用于接收并传递要被传递至实心体弹簧元件的(压缩)力的接触面或压力面。这提供了简单且稳固的布置或结构，即使在具有较小尺寸并且还涉及较大力的情况下亦会如此。也能够容易地实现对称性。特别地，能够实现机械元件、壳体、实心体弹簧元件和活塞或者机械元件、活塞、实心体弹簧元件和另一活塞的串联连接或串联布置。
根据一个示例性实施方式，活塞在卸载状态下在至少一侧与壳体重叠并从壳体伸出、特别地相对于壳体的端面伸出。因此，活塞可以位于盖板上。重叠的量可以对应于盖板与壳体间的距离。
根据一个示例性实施方式，实心体弹簧元件具有至少一个锥形凸端部，以及/或者实心体弹簧元件形成为呈柱形并且在相反两侧形成为呈双锥形凸部。这就压力分布而言也特别提供了优点。腔可以具有对应的几何形状。弹簧装置可以构造成用以改变腔的或实心体弹簧元件的柱形部分/所述柱形部分的区域中的腔体积。这在很大程度上独立于压缩程度而提供均匀载荷分布。
根据一个示例性实施方式，壳体具有肩部或阶梯部、特别是构造为阶梯孔的肩部或阶梯部，实心体弹簧元件靠置或者能够被带动至靠置在所述肩部或阶梯部上。这允许腔的横截面就活塞与横截面之比而言被扩大，以便以体积转换器的方式减小该布置的刚度。可选地，腔的横截面也可以就活塞与横截面之比而被减小以增大刚度。因此，实心体弹簧元件可以构造成使得不同的体积形式能够彼此组合，从而可以容易地实现关于安装空间和弹簧刚度的调整以及其他可能性，例如改变聚合物材料。
根据一个示例性实施方式，弹簧装置被构造成用于体积转换、特别是借助于设置在壳体中的肩部或阶梯部以及/或者借助于实心体弹簧元件的被设置成彼此不对准但相互作用的若干个部段而进行体积转换。因此，不仅可以通过壳体中的阶梯部或肩部而且还可以通过布置在若干个腔中的实心体弹簧元件(或实心体弹簧元件的若干个部段)实现体积转换器，其中，所述若干个腔相互连接但可以被独立加压，所述若干个腔例如为设置成彼此正交的两个筒形腔。另外，根据应用和力矢量的分布(development)或者根据要被阻尼的对象的布置可以将这两种方式组合。因此，部段中的一个部段或腔中的一个腔可以被定尺寸为显著小于其他部段或腔，并且可以以小凸轮的方式作用在较大部段上(体积转换或弹回效果的分解)。
替代或附加于上述实施方式地，关于弹簧装置所述的有利特征也可以应用于固定装置。
上述目的也可以通过用于安装机械元件的弹簧装置、特别是根据前述权利要求中的任一项所述的弹簧装置来实现，该弹簧装置通过下述方式生产：将活塞引入壳体中并且在活塞与壳体之间形成腔，所述腔中设置有能够压缩的实心体弹簧元件，其中，将活塞的面向实心体弹簧元件的至少一个锥形或凹形表面安装在腔中，使得在压缩时作用在锥形或凹形表面上的分力向内定向，并且/或者使得在压缩的情况下作用在锥形或凹形表面上的力分量使活塞扩张。
上述目的也可以通过上述弹簧装置的下述用途来实现：上述弹簧装置作为以螺钉连接的方式用于固定装置的预紧元件的用途，或上述弹簧装置在容器封闭塞上或容器封闭塞的位置处的用途或代替容器封闭塞的用途、特别是作为实心封闭塞的替代物的用途。已经表明本文中所描述的实心体弹簧元件由于这种紧凑设计而特别适合于安装空间中的原本将承受由变形所引起的极端力的组件构型。实心体弹簧元件可以非常有利地补偿载荷，特别地，使得例如对于具有比较敏感的密封透镜的密封系统而言甚至可以实现载荷释放，其中，密封透镜具有被特别设计成用于密封的表面轮廓。特别地，可以确保密封透镜上的表面压力在整个(操作)压力范围内保持恒定。为此，实心体弹簧元件或整个布置还可以就最优刚度而言被特定地设置。
本发明的其他细节、特征和优点通过附图以及通过参照附图对优选实施方式的以下描述来显现。附图仅图示了本发明的示例性实施方式，附图不限制本发明的构思。对于在一个附图中没有明确描述的附图标记，参照其他附图。
附图说明
图1以截面图示出了根据本发明的具有弹簧装置的固定装置的第一示例性实施方式。
图2和图3以活塞运动方向上的侧视图以及以立体图示出了图1中的固定装置。
图4以截面图示出了根据本发明的具有弹簧装置的固定装置的第二示例性实施方式。
图5以立体图示出了图4的固定装置。
图6以截面图示出了第三示例性实施方式。
图7以截面图示出了第三示例性实施方式。
图8a、图8b、图8c以若干个视图另外详细地示出了根据示例性实施方式的具体应用。
具体实施方式
在各图中，相同的部件总是采用相同的附图标记并且因此通常仅被提及或描述一次。
图1至图3示出了根据本发明的用于固定机械元件的具有弹簧装置1的固定装置10的第一示例性实施方式。固定装置10形成为弹簧阻尼式保持螺栓，经由该弹簧阻尼式保持螺栓可以安装可移动的、特别是可摆动的机械部件。
固定装置10呈大致筒形形式并且具有外螺纹7，经由外螺纹7可以将固定装置10附接至第一机械部件。在固定装置10的第一端面上设置有形成为例如六边形的多边异型件8，在多边异型件8上可以安置工具。在相反的端面上，固定装置10具有压力面9，在压力面9上可以安装第二机械部件。替代性地，第二机械部件可以连接至活塞3、特别是通过物质粘合(substance-bonding)连接至活塞3。壳体2和活塞3就它们的连接而言也可以以不同的方式形成，特别地，壳体2和活塞3也可以是待抵靠彼此而被阻尼的机械部件的一体部分。
弹簧装置1具有壳体2，壳体2在第一示例性实施方式中由单件制成并形成固定装置10的基体。筒形活塞3安装在壳体2内，以便能够沿平行于弹簧装置1的纵向轴线a延伸的运动方向b移动。为此，活塞3具有圆形横截面。壳体2和活塞3都由金属、特别是钢制成。在活塞3与壳体2的内轮廓之间的区域中具有腔，该腔完全填充有实心体弹簧元件4。因为实心体弹簧元件4是能够压缩的，所以实心体弹簧元件4构成压缩弹簧。
实心体弹簧元件4由热塑性聚合物制成。优选地，使用聚乙烯形成实心体弹簧元件4。实心体弹簧元件4构造成呈具有圆形横截面的柱形形状。实心体弹簧元件4形成为没有夹杂物、凹部或孔的一件式全材料的实心体弹簧元件4。在变型中，实心体弹簧元件4可以是分段的使得其包括具有不同体积模量的若干个部段，由此可以获得具有渐进的弹簧曲线的弹簧装置1。
为减少或防止来自实心体弹簧元件4的材料在活塞3反复插入和收回时的不期望的移除或挤出，如果活塞3的面向实心体弹簧元件4的表面5构造成呈锥形或凹形，则是有利的。在使腔减小的运动中，存在于实心体弹簧元件4中的准静态压力产生导致使活塞扩张并且因此使活塞3和壳体2之间的间隙减小或者导致活塞3靠置在壳体内面上的力分量c和力分量d。
出于对称性及相关联的与安装有关的优点的原因，壳体的与上述活塞3的表面5相对布置的内表面6也可以与表面5对应地形成。
图4和图5示出了固定装置10的第二示例性实施方式，借助于该固定装置10可以实现机械部件的振动阻尼式安装。固定装置10具有弹簧装置1，弹簧装置1具有构造成环的壳体2。壳体2具有经由环形基部12连接在一起的筒形外壁11和筒形内壁13。外壁11和内壁13绕纵向轴线a同心地设置。因此，壳体2为多件式壳体2。在纵向轴线a的区域中，壳体2具有通孔15，螺钉16可以被引入通孔15中。
此外，弹簧装置1具有环形活塞3，环形活塞3与壳体2一起界定环形腔，并且环形活塞3在壳体2中安装成能够沿平行于纵向轴线a的运动方向b移动。活塞3和壳体2由金属例如钢制成。环形腔完全填充有可压缩的环形实心体弹簧元件4。实心体弹簧元件4由聚合物、优选地由聚乙烯制成。
为减少或防止来自实心体弹簧元件4的材料在活塞3反复插入和收回时的不期望的移除或挤出，如果活塞3的面向实心体弹簧元件4的表面5和/或基部12的面向实心体弹簧元件4的表面5构造成呈锥形或凹形，则是有利的。在使腔减小的运动中，存在于实心体弹簧元件4中的准静态压力产生导致使活塞3扩张并且因此使活塞3与壳体2之间的间隙减小或者导致活塞3和基部12靠置在壳体内面上的力分量。
环形活塞3的与实心体弹簧元件4相反布置的一侧附接有盖板14。盖板14具有供螺钉16通过的凹槽，该凹槽与壳体2的通孔15对准地设置。壳体2可以连接有第二机械部件。为此，可以在壳体2的外部、特别是外壁11上设置有外螺纹。
盖板14设置成使得在弹簧装置1的卸载状态下盖板14距壳体2一定距离。在对弹簧装置1施加重载的情况下，盖板14碰撞壳体2的端面17，由此可以防止对实心体弹簧元件4的过度加载。
上述用于固定机械元件的固定装置10各自均包括具有活塞3和壳体2的弹簧装置1，其中，活塞3可以沿运动方向b被引入壳体2中。在活塞3与壳体2之间形成有腔，并且该腔容纳由能够被活塞3压缩的实心体构成的可压缩实心体弹簧元件4。
根据图4和图5中所示的示例性实施方式的变型，活塞3连接至外壁11并且基部12连接至内壁13，使得壳体由基部12和内壁13形成。
另一变形使得活塞3连接至内壁13并且基部12连接至外壁11。因此，壳体包括基部12和外壁11。
根据另一变形，用附图标记12标示的元件能够相对于内壁13和外壁11移动，使得该元件形成本发明意义上的活塞。在这样的实施方式中，用附图标记3标示的元件实现基部的功能。壳体因此由元件11、元件12和元件3形成。
目前，本发明的应用涵盖盘形弹簧、波形垫圈(ondularwasher)和其他形式的金属螺旋弹簧。相比之下，对于相同的力和变形数据而言，本发明需要较小的安装空间。
与流体填充的弹簧元件相比，根据本发明的弹簧装置不需要另外的密封元件。
图6示出了包括具有两个腔2a、2b的壳体的弹簧装置1，在腔2a、2b的每个腔中分别设置有两件式实心体弹簧元件4的部段4a、4b。一个部段4a的端面4.1作用在另一部段4b的侧向壳表面4.2上。活塞3主动地(直接地)或被动地(间接地)地作用在部段中的每个部段上。以此方式，可以实现作为体积转换器的功能。实心体弹簧元件4构造成是多件式的，其中，各个部段4a、4b设置成彼此不对准地但彼此至少大致正交。借助于止动件或封闭塞18，可以对活塞的位置并且因此对弹簧行程进行调节或者对安装状态下设定的预紧力进行调节。
图7示出了包括具有阶梯部或肩部2.1的壳体的弹簧装置1。实心体弹簧元件4通过壳体中的压缩布置或者通过预定的几何形状而具有几何学上对应的阶梯部或肩部4.3。以此方式，可以实现作为体积转换器的功能。
图8a、图8b、图8c以若干个视图另外详细地示出了弹簧装置1在涉及密封透镜20的高压容器装置中的具体应用。壳体2被螺栓连接至要密封的机械元件。在这种类型的整合中，在容器封闭塞18a的压缩变化时可能产生的极值力可以被转化成对密封与连接元件20而言能够被控制的力。图8b详细地示出了图8a的圆圈区域，并且图8c详细地示出了图8b的圆圈区域。
附图标记列表
1弹簧装置
2壳体
2a壳体的第一腔
2b壳体的第二腔
2.1肩部或阶梯部
3活塞
4实心体弹簧元件
4a实心体弹簧元件的第一部段
4b实心体弹簧元件的第二部段
4.1实心体弹簧元件的端面
4.2实心体弹簧元件的侧向壳表面
4.3肩部或阶梯部
5活塞表面
6壳体表面
7外螺纹
8多边异型件
9压力面
10固定装置
11外壁
12基部
13内壁
14盖板
15通孔
16螺钉
17壳体的端面
18、18a止动件或容器封闭塞
20密封透镜
a纵向轴线
b活塞的运动方向
c分力
d分力