Wirbelstrukturen im
4 - dimensionalen
gekrümmten Raum
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Technische Federn


Allgemein

Druck­federn sind Maschinen­elemente, die sich unter Belas­tung gezielt ver­formen und bei Ent­lastung wieder die ursprüng­liche Gestalt annehmen. Die tech­nische Feder findet Anwen­dung in Fahr­zeugen, fein­mecha­nischen oder elektro­tech­nischen Apparaten, in Kraft­maschinen, Werk­zeug­maschinen oder land­wirt­schaft­lichen Maschi­nen, in medizi­nischen Geräten oder Haus­halts­geräten. Oft beein­flusst das störungs­freie Arbeiten der Federn die Funktion des gesamten Gerätes oder Maschinen­teils.

Bei den technischen Federn gibt es eine Viel­zahl von Aus­füh­rungs­formen und -arten. Im Maschinen­bau werden in fast allen Fertigungs­zweigen über­wiegend die kalt­geformten Schrauben­federn ver­wendet. Des Weiteren werden eben­falls sehr häufig Teller­federn ein­gesetzt.

Schrauben­federn werden in 3 Haupt­gruppen unter­teilt:

  • Druckfedern
  • Zugfedern
  • Schenkelfedern



Grundlagen

Je nach Fertigungs­verfahren unter­scheidet man zwischen kalt- und warm­geformten Federn. Bis d = 16 mm Draht­durch­messer werden die Federn in der Regel kalt geformt.

Kaltgeformte Federn werden meist aus paten­tiert-gezogenem unlegierten Feder­draht nach DIN EN 10270-1 in den Draht­sorten SL, SM, DM, SH, DH, sowie aus vergü­tetem Feder­draht nach DIN EN 10270-2 in den Sorten FD, ZD, VD her­gestellt.

Um die Dauer­festig­keits­eigen­schaften wesent­lich zu ver­bessern, werden fertige Federn kugel­gestrahlt. Dadurch wird deren Lebens­dauer stärker erhöht, als durch Wahl einer besseren Draht­sorte. Im Allgemeinen werden Federn geölt oder gefettet vom Her­steller ausge­liefert.

Druck­federn werden in der Regel rechts­steigend ausge­führt. Um die Feder­kraft auf die Anschluss­teile optimal über­tragen zu können, wird bei kalt­geformten Schrauben­druck­federn die Steigung an der jeweils aus­laufenden Windung ver­mindert.

Um ein mög­lichst axiales Ein­federn bei unter­schied­lichen Feder­stellungen zu erreichen, werden an den Stirn­flächen die Draht­enden plan geschliffen.

Kaltgeformte Druck­federn bestehen aus n ≥ 2 wirk­samen federn­den Windungen mit in der Regel konstanter Steigung und zusätz­lich aus 2 nicht federnden Windungen.

Da für die Berechnung die Art der Beanspru­chung maß­gebend ist, werden die Feder­arten nach ihrer vorwie­genden Beanspru­chung unter­schieden. Bei Druck- und Zug­federn verur­sacht die Kraft­ein­leitung im Werk­stoff­quer­schnitt haupt­säch­lich eine Torsions­beanspru­chung.

Dreh­federn und Teller­federn erfahren durch das Ein­leiten einer äußeren Kraft im Feder­quer­schnitt über­wiegend eine Biege­beanspru­chung. Andere auf­tretende Beanspru­chungen können meist vernach­lässigt werden.



Federkennlinie

Die Eigen­schaften der Federn werden nach ihrer Kenn­linie unter­schieden. Hier­bei geht es um die Abhängig­keit der Feder­kraft F vom Feder­weg s. Je nach Gestalt der Feder unter­scheidet man zwischen linearen, progres­siven, degres­siven Kenn­linien.



Federrate

Unter der Feder­rate R ver­steht man die Stei­gung der Feder­kenn­linie im Feder­diagramm. Bei linearer Kenn­linie ist die Feder­rate konstant. Federn mit gekrümmter Kenn­linie weisen eine veränder­liche Feder­rate auf.

Viele Federn sind auf­grund ihrer Flexi­bilität in mehreren Rich­tungen verform­bar. Aus diesem Grund wird je nach Kraft­richtung (Frei­heits­grad) des freien Feder­endes zwischen Längs-, Quer- und Dreh­feder­rate unter­schieden.



Federarbeit

Beim Spannen einer Feder wird Arbeit ver­richtet, welche die Feder beim Ent­spannen wieder abgibt. Die Feder­arbeit ergibt sich stets als Fläche unter­halb der Feder­kenn­linie. Bei einer linearen Kenn­linie gilt für Druck- und Zug­federn:



Hysterese

Wie bei allen mechan­ischen Bau­teilen wird auch das Federungs­ver­halten durch Reibung beein­flusst. Diese Reibungs­kräfte wirken einer Rück­ver­formung entgegen. Bei einer Wechsel­beanspru­chung äußert sich dies in Form einer soge­nannten Hysterese­schleife. Hierbei verlaufen die Kenn­linien während der Druck­belas­tung und der Druck­ent­las­tung ver­setzt zueinander, ähnlich wie bei der Kontur einer Bohnen­schote.

Darüber hinaus wird ein Teil der Feder­arbeit in Wärme umge­wandelt und geht damit ver­loren. Da dies insbe­sondere bei Mess­verfahren ver­mieden werden soll, ist bereits bei der Konstruk­tion einer Baug­ruppe auf die Anord­nung und Gestalt der Federn zu achten.



Relaxation

Vor einer „Relaxation” spricht man, wenn zum Beispiel eine Druck­feder bei höherer Temperatur zwischen parallelen Platten um einen bestimmten Betrag zusammen­gedrückt wird und die Feder­kraft mit der Zeit allmählich abnimmt. Dieser Kraft­verlust nimmt mit stei­gender Tempe­ratur und Spannung zu. Auf­grund der Relaxation des Werk­stoffes kommt es zu einer plas­tischen Ver­formung, die sich bei konstanter Einbau­länge als Kraft­verlust dar­stellt.

Der Kraftverlust wird bezogen auf die Ausgangs­kraft F1 prozentual angegeben:

Wenn hohe Anforde­rungen an die Konstanz der Feder­kraft gestellt werden, muss ein möglicher Kraft­verlust vom Konstruk­teur mit ein­bezogen werden.




Federentwurf

Bei einem Feder­ent­wurf verfolgt man das Ziel, unter Berück­sichti­gung aller Umstände, die für die Aufgaben­stellung wirt­schaft­lichste Feder zu finden. Dies wird unter anderem beein­flusst durch den zur Ver­fügung stehenden Raum und die gefor­derte Lebens­dauer. Hier­bei gilt es, folgende Anforde­rungen zu berück­sichtigen:

  1. Belastungsart (statisch oder dynamisch)
  2. Notwendige Kräfte und Federwege
  3. Vorhandener Einbauraum
  4. Toleranzen
  5. Einbausituation (Knickung, Querfederung)
  6. Lebensdauer
  7. Einsatztemperatur
  8. Umgebungsmedium

Eine technische Feder wird in zwei Schritten ausgelegt:

Schritt 1: Funktionsnachweis
Zunächst werden Parameter für Feder­rate, Kräfte, Feder­wege und Schwingungs­ver­halten fest­gelegt.

Schritt 2: Festigkeitsnachweis
Anschlie­ßend werden die zuläs­sigen Spannungen ermit­telt und es erfolgt ein Dauer­festig­keits­nachweis.

Die Schritte erfolgen in sich wieder­holdenden Rechen­vorgängen. Besonders geht um die Frage­stellung, ob die Feder statisch, schwellend oder dynamisch beansprucht wird. In den meisten Fällen wird die Feder vorge­spannt sein. Bei dynamisch bean­spruchten Federn kann es zu einer perio­dischen Schwell­belas­tung kommen oder zu schlag­artigen Kraft­änderungen.

Bei der Dimensio­nierung einer Feder müssen die Grenz­werte der Beanspru­chung fest­gelegt werden. Hierfür werden die Festig­keits­werte der Werk­stoffe heran­gezogen. Gerade bei einer tech­nischen Feder ist es sinn­voll, einen Sicher­heits­faktor mit einzu­beziehen. Daraus ergibt sich die zulässige Grenz­spannung.

Wird beispiels­weise bei vorhan­dener Schub­spannung der zulässige Wert über­schritten, tritt eine blei­bende Ver­formung der Feder ein. Dadurch ver­ringert sich die unge­spannte Länge, was in der Federn­technik als „Setzen” bezeichnet wird. Diese Gefahr wurde bereits im vorherigen Kapitel unter dem Stich­wort Relaxation ange­sprochen. Um diesem Effekt entgegen­zuwirken, werden die Druck­federn um den zu erwartenden Setz­betrag länger gewunden und später auf Block­länge zusammen­gedrückt. Durch dieses soge­nannte „Vorsetzen” wird eine bessere Werk­stoff­auslastung und höhere Belastung ermöglicht.




Schubspannungen

Für die Auslegung statisch oder schwel­lend bean­spruchter Federn wird die Schub­spannung τ berücksichtigt, während für dynamisch bean­spruchte Federn τk gilt. Die Ver­teilung der Schub­spannung im Draht­querschnitt einer Feder ist ungleich­mäßig. Die höchste Spannung tritt am Feder­innen­durch­messer auf. Mit dem soge­nannten Spannungs­korrektur­faktor k, der vom Wickel­verhältnis D/d (mittlerer Feder-Durch­messer/Draht­stärke der Feder abhängt, lässt annä­hernd die maxi­male Spannung ermit­teln. Für dynamisch bean­spruchte Federn ergeben sich:

Korrigierte Spannung: τk = k · τ

Anschließend müssen die zuläs­sigen Spannungen mit­einander ver­glichen werden.

Die Werte für die Mindest­zug­festig­keit Rm sind von der Draht­stärke abhängig und in den Normen der entspre­chenden Werk­stoffe zu finden.

Da sich Druck­federn bis zur Block­länge zusammen­drücken lassen müssen, ist die zulässige Spannung bei Block­länge τczul zu ermitteln. Bei dynamischer Beanspru­chung müssen zusätzlich Unter- und Ober­spannung (k1 und k2) des Feder­weges mit ein­bezogen werden. Aus der Differenz dieser Werte ergibt sich die Hub­spannung. Keine der ermit­telten Spannungen dürfen die zuläs­sigen über­schreiten.

Alle dynamisch beanspruchten Federn mit einer Draht­stärke > 1 mm sollten kugel­gestrahlt werden. Durch dieses Ver­fahren lässt sich die Dauer­hub­festig­keit steigern.

Die Block­länge kann nicht unter­schritten werden, weil die Windungen bereits fest aneinander liegen. Andern­falls kommt es zu einem Ver­satz der Windungen, wodurch ein linearer Kraft­verlauf sowie eine dynamische Belast­bar­keit nicht mehr gewähr­leistet sind.





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