Elastische Federn: Unterschied zwischen den Versionen

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[http://www.beispiel.de Link-Text]--[[Benutzer:Bene-diction|Bene-diction]] 10:23, 5. Nov 2005 (CET)
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[[Bild:Zitat.JPG|right]]
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''Dieser Artikel wird zur Zeit bearbeitet --[[Benutzer:Bene-diction|Bene-diction]] <br>''Fertigstellung bis zum 28. November 2005''
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==Definition elastische Federn==
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[[Bild:Baustelle.gif]]
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Federn sind Elemente, die sich unter Belastung gezielt verformen und bei Entlastung wieder die ursprüngliche Gestalt annehmen. Dabei wird [[potentielle Energie]] gespeichert, die bei der Rückfederung unter Berücksichtigung der Reibungsverluste in Form von Arbeit wieder abgegeben werden kann.
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http://www.wolfsadlerfeder.de/assets/images/feder.gif
 
  
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==Einsatz und Verwendung==
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Nahezu überall im unseren Alltag finden Federn (elastische Elemente) ihre Verwendung z.B. im Auto (Stoßdämpfer, Motoraufhängung), am Fahrrad (Sattel,- Rahmen,- Lenkradfederung) beim Sport (Stabhochsprung, Poweriser) in der Fertigungstechnik als auch in der Medizintechnik (Prothesen).
  
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= Elastische Federn =
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'''Begriffserklärung'''
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Bild:Fahrradfeder.jpg |
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elastisch federn d. H. unter Einwirkung einer Kraft F bzw. Kraftmomentes M sich verformen. Dabei wird die potenzielle Energie gespeichert, und bei der Rückfederung unter Berücksichtigung der Reibungsverluste in Form von Arbeit wieder abgegeben wird.Wobei je nach Ausführung der Feder ein mehr oder weniger großer Teil der Umwandlungsenergie in Wärme überführt wird.
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Bild:Smart.jpg|
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Benannt werden Federn nach ihrem Verwendungszweck (z. B. Uhrenfeder, Fahrzeugfeder usw.), nach ihrer typischen Beanspruchung (z. B. Zug-, Druck-, Biege- oder Torsionsfeder) oder nach ihrer Gestalt (z. B. Blatt-, Spiral-, Schrauben-, Tellerfeder). Federn sind zumeist aus Stahl, für besondere Anforderungen aus nichtmetallischen Werkstoffen (z.B. Gummi, Luft). Nach Art des Kraftangriffes werden biege- und drehbeanspruchte sowie zugdruckbeanspruchte Federn unterschieden. Die Gestalt von Federn ist unterschiedlich (z.B. Blattfeder, Spiralfeder, Tellerfeder, Schraubenfeder) und v.a. von der Beanspruchungsart und dem Verwendungszweck abhängig. Kennzeichnend für jede Feder ist die Federkennlinie, die progressiv, linear oder degressiv verlaufen kann.  
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Je nach Aufgabenstellung an die Feder kann der Verformungsweg kleiner/größer und die Dämpfung kleiner/größer sein. Beides beeinflusst man mit der Wahl;
 
  
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-des Werkstoffes
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==Funktion==
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- der Form ( Z. B. Federart, Bauabmessung)
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Typische Eigenschaften für Federn im technischen Anwendungsbereich entsprechend ihrer Funktion sind
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-des Grades der Kompressibilität von Gasen oder Flüssigkeiten
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- Gewährleistung des Kraftflusses und der Kraftverteilung (z.B. Federn in Kupplungen und Bremsen, Stromabnehmern bei E- Loks, Kontaktfedern, Spannfedern);
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- Speicherung Potentieller Energie und Rückfederung (z.B. Federmotoren Ventilfedern in Verbrennungsmotoren );
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- Ausgleich von [[Wärmeausdehnung]] oder Verschleißwegen (bei Lagern und Kupplungen);
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- Dämpfung durch Nutzung innerer oder äußerer Reibung (z.B. Fahrzeugfederung, Motoraufhängung);
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- Federn als Schwingungssysteme (z.B. in der Regelungstechnik, Schwingtisch)
  
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==Aufbau==                               
 
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Es gibt '''verschiedene Arten''' bzw. Aufbauweisen von Federn; Drehstabfedern, Spiralfedern, Stickstofffedern, Tellerfedern und Elastromehre.
 
  
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-Drehstabfedern werden auch Torsionsfedern oder Schraubenfedern genannt wohl fast jedem bekannt aus dem Kugelschreiber 
 
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Es gibt sie ausgeführt Zug- oder Druckfeder
 
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Torsionsfeder (auch Drehstab)
 
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'''Schrauben-druck-feder'''
 
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Schrauben-zug-federgewundene Torsionsfeder: Diese, auch Schraubenfeder genannte bekannteste Federbauform wird manchmal fälschlicherweise als Spiralfeder bezeichnet. (die aber mechanisch anders funktioniert; s. u.). Sie wird aus Federdraht zylinder- oder kegelförmig gewickelt. Man unterscheidet hier nach der äußeren Belastung zwischen Zug- und Druckfeder. Die Hauptbelastungsrichtung verläuft in Richtung der Federachse, wobei sich die Federenden geringfügig gegeneinander verdrehen können. Federn mit konstantem Durchmesser werden auch als Schraubenfedern bezeichnet. Ihre Charakteristik kann durch Bereiche mit veränderlichem Drahtdurchmesser, variabler Steigung oder sich verändernden Durchmesser (kegelstumpfförmige Schraubenfeder) gestaltet werden. Eine Sonderbauform ist die so genannte Kegelfeder, die aus dünnem Federband besteht und kegelförmig gewickelt ist. Wird eine Schraubenfeder auch quer zur Federachse beansprucht spricht man von einer Flexicoilfeder.
 
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gerade Torsionsfeder: Stäbe, Drähte oder Bänder mit fester Einspannung an beiden Enden, wobei die die befestigten Bauteile gegeneinander eine Schwenkbewegung um die Federachse ausführen. Die mechanische Beanspruchung findet durch ein tangential zur Federachse angreifendes Drehmoment statt. Die besonders aus dem Fahrzeugbau bekannten Torsionsfedern bestehen meist aus massiven Rundstäben oder Paketen von flachen Bändern aus Federstahl. Sie werden oft Drehstab oder Torsionsstab genannt.
 
  
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[[Bild:kegelige-Schrauben-druckfeder.jpg]]
 
  
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Spiralfeder und schwingende UnruhSpiralfeder mit Drehmomentbelastung: (nicht zu verwechseln mit der Schraubenfeder) ist eine eben gewundene Biegefeder. Spiralfedern werden als in einer Ebene spiralförmig aufgewickeltes Metallband gefertigt. Das Metallband wird innen und außen eingespannt und die einzelnen Windungen sollen sich auch während der Arbeit nicht berühren.
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[[Bild:10.png|thumb|Funktionsbeispiel]]
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So das Reibungseinflüsse unberücksichtig bleiben. Anwendung finden sie beispielsweise bei Kinderspielzeugen, die sich aufziehen lassen, und im Modellbau eingesetzt, wo sie als mechanischer Energiespeicher (Federmotor) dienen. Auch in mechanischen Uhren waren sie lange Zeit als Antrieb und als Schwingelement (Unruh) unverzichtbar.  
+
'''Ohne Federung und Dämpfung:''' 
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*Der Schwerpunkt folgt allen Bodenunebenheiten; es muss eine zusätzliche Kraft angewandt werden, um den Schwerpunkt über das Hindernis zu heben, senkrecht zur Fortbewegungsrichtung. Der Rückfall hinter dem Hindernis bringt keinen Gewinn, da die Kraft dann wiederum im rechten Winkel zur Fahrtrichtung wirkt, nur halt nach unten.
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 +
'''Mit gedämpfter Federung, grüne Linie:'''
 +
*Der Schwerpunkt wird verzögert und lange nicht so hoch angehoben, es wird dazu logischerweise auch weniger zusätzliche Kraft benötigt. Hinter dem Hindernis dauert es etwas, bis die ursprüngliche Schwerpunkthöhe wieder erreicht ist.
 +
 
 +
'''Nur Feder, blaue Linie:'''
 +
*Dieses System reagiert beim Auflauf auf das Hindernis sehr schnell, die Feder wird schnell zusammengepresst, die Anhebung dürfte am Geringsten sein, und damit die zusätzliche Kraft. Der Haken kommt danach! Dadurch, das die Federung nicht gedämpft ist schwingt diese nach. Es kann so weit gehen, dass das Rad den Bodenkontakt verliert und nicht mehr steuerbar ist.
  
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[[Bild:spiralfeder.jpg]]
+
==Werkstoffe==
 +
Die Anforderungen an  Federwerkstoffe können in grundlegende Anforderungen und in spezielle Anforderungen unterschieden werden.
 +
'''Grundlegende Anforderungen sind:'''
 +
*Hohe Elastizitätsgrenze
 +
*hohe statische bzw. dynamische Festigkeit
 +
*geringe bleibende Verformung bei Belastungen oberhalb der Elastizitätsgrenze
 +
*gute Kaltumformbarkeit
 +
*gute Vergütbarkeit
 +
*geringes eigen Gewicht
  
  
 +
'''Spezifische Anforderungen sind:'''
 +
*Korrosionsbeständigkeit
 +
*elektrische Leitfähigkeit
 +
*Warmfestigkeit
 +
*nichtmagnetisches Verhalten  (Messtechnik)
 +
*geringe Wärmeausdehnung  (Messtechnik)
  
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Zwei Blattfedern in einem RahmenBlattfeder: Sie besteht meist aus einem flachen Metallband, das bogenförmig vorgespannt wird. Sie wird vor allem im Nutzfahrzeugbau eingesetzt. Oft sind mehrere Blätter (Federlagen) mit verschiedenen Längen und Vorspannungen zu einem Federpaket zusammengefasst, das durch einen gemeinsamen Herzbolzen und Federklemmen zusammengehalten wird. Durch eingelegte Kunststoffblättchen oder Schmierung mit Fett wird die Reibung vermindert, wenn sich die Enden der Lagen durch Längenänderung beim Einfedern gegeneinander verschieben
+
'''Federstahl'''
 +
Federstahl ist der am meisten verwendete Federwerkstoff, der im Vergleich zu zähen Stählen eine höhere Festigkeit und somit ein  anderes Verformungsverhalten wie zähe Werkstoffe besitzt. Bei Federwerkstoffen  fehlt die Fließgrenze(der Übergang vom elastischen in den plastischen Bereich), deshalb muss hier im Allgemeinen mit der Dehngrenze Rp0,2 gearbeitet werden. Bei deren Erreichen erfährt der gezogene Draht eine bleibende Dehnung εbl von 0,2 %, d.h. er wird 0,2 % länger.
  
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'''Drehstabfeder.jpg'''  
+
'''Nichteisenmetalle'''
 +
Federn aus Nichteisenmetallen werden  im Wesentlichen für niedrigere Beanspruchungen bei besonderen spezifischen Anforderungen verwendet.
  
−
[[Bild:Drehstabfeder.jpg]]
+
'''Nichtmetallische Werkstoffe'''
 +
Bei den Nichtmetallischen Werkstoffen handelt es sich vornehmlich um Natur- oder Synthtischem Gummi (Kautschuk). Die Härte des Gummis kann durch die Menge der Füllstoffe beeinflusst werden. Für relativ kleine Federkräfte kann auch das durch Magnetwirkung entstehende Luftkissen verwendet werden.
  
 +
==Federrate==
 +
Bei Belastung durch eine Kraft F oder einem Moment M (T) verschiebt sich der Kräfteangriffspunkt um den Federweg s oder dem Drehwinkel ϕ.
 +
Trägt man die Verformung in Abhängigkeit von der Belastung auf, so entsteht das Federdiagramm. Die Kraft-Weg-Linie darin wird mit [[Federkennlinie]] bezeichnet.
 +
* zum [[Federkennlinie|Experiment]]
  
 +
==Federsysteme==
  
 +
Oftmals reicht eine einzelne Feder nicht aus um eine bestimmte Belastung und Verformung zu erreichen, deshalb werden mehrere Federn gleicher sowie oder auch unterschiedlicher Abmessungen parallel oder hintereinander geschaltet.
  
−
'''Stickstofffedern''' bestehen im Aufbau aus einem Kolben der in einem mit Dichtungen versehenem Zylinder läuft. Der Zylinder ist mit Stickstoff gefüllt und steht unter [[Druck]] ca. max. 180 bar.
+
Parallelschaltung
−
Die Kraft ergibt sich aus der Größe der Kolbenfläche und dem Druck der auf sie wirkt.
+
R_ges= R_1+ R_2
−
Die maximale Federkraft steht sofort ab dem ersten mm des Federweges an und setzt sich demnach fast linear fort.
 
−
Stickstofffedern sind meist wiederbefüllbar und wartungsarm. Doch Verunreinigungen der Lauffläche am Kolben führen zu frühzeitigen Zerstörung der Dichtungen und zum Verlust des Federinnerdruckes.
 
  
−
[[Bild:Stickstofffeder.jpg]]
+
Reihenschaltung
−
[[Bild:Stickstoff-_Faltenbalgfeder.jpg]]
+
1/R_ges = 1/R_1 + 1/R_2
−
Tellerfeder:
 
−
Definition:
 
−
Unter einer Tellerfeder versteht man eine kegelige Ringschale, die in Achsrichtung belastbar ist und sowohl ruhend als auch schwingend beansprucht werden kann. Die Krafteinleitung erfolgt normalerweise über den oberen Innenrand und den unteren Außenrand. Die Tellerfeder kann als Einzelfeder oder als Federsäule verwendet werden. In einer Säule können entweder einzelne Tellerfedern oder aus mehreren Federn bestehende Federpakete wechselsinnig geschichtet werden.
 
−
Tellerfedern zeichnen sich durch ihre hohe Federkraft bei geringem Werkstoffvolumen aus, was aus kosten des Federweges geht. 
 
  
−
[[Bild:Tellerfeder.jpg]]
+
Gemischtschaltung
 +
1/R_ges = 1/(R_1+R_2 )+ 1/R_3
  
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-Gummifedern
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Gummifedern sind z. B. Elastromehre bestehen aus Kunststoff. Sie haben federnde und dämpfende Eigenschaften. Sie ändern beim einfedern nicht ihr Volumen somit dehnen sie sich maßgeblich  seitlich aus. Somit müssen sie seitlich freigehalten werden. Um ein einseitiges wegknicken zu verhindern werden Stützelemente eingesetzt.
+
Bild: Parallel.png|Parallelschaltung
−
Luftfedern in Straßenfahrzeugen werden in zwei Formen gebaut:
+
Bild: Reihen.png |Reihenschaltung
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Bild: Gemischt.png|Gemischtschaltung
 +
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Luftfeder mit konstantem Volumen in Regellage: Hier ist die Luft typischerweise in einem Rollbalg eingeschlossen, der mit weiteren Beschlagteilen wie Deckel und Abrollkolben luftdicht verbunden ist. Der Rollbalg ist über den Kolben gestülpt und rollt unter [[Druck]] auf diesem ab. Die Luftfeder wird durch einen Kompressor mit Druckluft versorgt. Abhängig von der Beladung wird Luft zu- oder abgepumpt, um das Füllvolumen und somit die Niveaulage des Fahrzeugs konstant zu halten. In Schienenfahrzeugen gibt es unterschiedliche Bauformen wie Gürtelbälge oder Halbrollbälge. Der Balg ist hier auf eine Gummifeder, der sogenannten Notfeder, aufgesetzt, die bei Ausfall der Luftfederung noch eine gewisse Federwirkung gewährleistet. Den höchsten Komfortgewinn erzielt die Luftfeder in Verbindung mit einem adaptiven Dämpfungssystem. Das [[Druck]]niveau liegt in Nomallage bei ca. 5 bis 12 bar, bei dynamischer Einfederung bei ca. 10 bis 20 bar, abhängig von der Beladung.  
+
==Federarbeit==
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Gasfedern mit konstanter Gasmasse: Hier wird eine bestimmte Gasmasse in einem Federelement eingeschlossen. Mit steigender Beladung nimmt das Volumen ab und die Federung wird steifer. Niveauausgleich wird z.B. durch eine zusätzliche Hydraulik erreicht (Hydropneumatische Federung von Citroën). Die Eigenschaften der hydropneumatischen Federung unterscheiden sich deutlich von denen der Luftfederung.
+
[[Bild:Reibungs-Hysterese.png|thumb|left|Funktionsbeispiel]]
−
Gasdruckfedern werden meist als Öffnunsmechanismus, beispielsweise an der Kofferaumklappe bei Automobilen verwendet. Bei ihnen schiebt der innere Gasdruck die Kolbenstange mit einer konstanten Kraft aus dem Zylinder.
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Die bei Belastung der Feder aufgebrachte Arbeit, steht bei Entlastung nur im Idealfall bei Vernachlässigung der Reibungsverluste wieder zur Verfügung. Diese wird im Federkennliniendiagramm durch die unter der Federkennlinie liegende Fläche dargestellt.
  
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== Herstellung ==
+
Das Verhältnis von verfügbarer zu aufgenommener Arbeit ist der Federwirkungsgrad, der entscheidet für den sinnvollen Einsatz ist. Für η_F ≈ 1 ist der Einsatz als Energiespeicher vorteilhaft und η_F ≪ 1 dient zur Stoß- und Schwingungsdämpfung.
−
1. gestanzt bzw. feingeschnitten aus Bandmaterial
+
η_F = (verfügbare Arbeit)/(aufgenommene Arbeit)
−
2. wie 1. mit gedrehten Innen- und Außendurchmesser
 
−
3. aus warmgeformten Platinen, Oberfläche komplett gedreht
 
−
4. gelasert aus Bandmaterial bei kleinen Stückzahlen
 
  
−
== Vor- und Nachteile ==  
+
==Federarten==
−
Allgemein zu anderen Ve3rbindungsarten
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[[Bild:Metallfedern-Übersicht.jpg]]
  
−
Vorteile
+
===Blattfeder===
−
Kraftübertragung über langelineare Wege wie etwa beim Kleben
+
Die einfache Blattfeder mit linearem Kennlinienverlauf kann als Freiträger betrachtet werden, der sich bei Belastung  durch die Kraft F um den Weg s verformt. Blattfedern werden in Rechteck-, Trapez- und Dreiecksfedern unterschieden. Um größeren Belastungen zu widerstehen schichtet man die Trapezblattfeder möglichst spaltlos aufeinander.
−
Prüfung des Funktion ohne Zerstörung des Elementes
+
Zweistufige Blattfedern bestehen aus einer Haupt- und Zusatzfeder, die beim Erreichen einer bestimmten Belastung nachträglich eingreift, wodurch sich ein progressiver Kennlinienverlauf ergibt.  
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Ausgleich von Bewegungen bzw. Dänpfung
 
  
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Nachteile
+
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−
Für die Einbringung einer Feder wird meist mehr Platz nötig , als bei einer Verbindungart, wie Löten, oder Nieten.
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Bild:4.jpg|Trapezblattfeder
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Verschiede Federarten weisen auch verschieden Vor- bzw. Nachteile auf. Diese ergeben sich aus ihrem Aufbau ihrer Ausführung und ihrem Werkstoff.
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===Drehfeder===
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Drehfedern werden hauptsächlich als Scharnier-, Rückstell- und Andrückfedern verwendet. Ihre Kennlinie ist eine Gerade, die anstelle der Kraft- Weg- Linie durch den Verlauf des Kraftmoments M in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ im Federkennliniendiagramm dargestellt wird. Drehfedern werden auf Biegung beansprucht.
  
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Vorteile:
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Die Tellerfeder hat im Vergleich mit anderen Federarten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften:
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Bild:5.jpg|Anwendungsbeispiel Drehfeder
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1. Sie kann bei kleinem Einbauraum sehr große Kräfte aufnehmen.
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Bild:6.jpg|Drehfedernbeispiele
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2. Ihre Federkennlinie kann je nach den Maßverhältnissen linear oder degressiv sein und durch geeignete Anordnung auch progressiv gestaltet werden.
+
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−
3. Durch die fast beliebige Kombinationsmöglichkeit von Einzeltellerfedern kann die Kennlinie bzw. die Säulenlänge innerhalb weiter Grenzen variiert werden.
 
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4. Hohe Lebensdauer bei dynamischer Belastung, wenn die Feder richtig dimensioniert ist.
 
  
−
== Verschleiß ==  
+
===Tellerfeder===
−
Bei mechanischer Arbeit kommt es früher oder später zu Verschleiß. Federn sind davon auch nicht befreit. Sie unterstehen je nach Bauart, Auslegung und Beanspruchung verschiedenen Verschleißarten.
+
Tellerfedern sind kegelförmige Ringschalen, die als Einzelteller oder kombiniert zu Federpaketen und Federsäulen in axialer Richtung belastet werden können. Die Tellerfedern sind nach DIN 2093 genormt und werden darin in harte Federn (Reihe A), weiche Federn (Reihe B) und besonders weiche Federn (Reihe C) gegliedert. In jeder Reihe wird zusätzlich nochmals in drei gruppen, entsprechend dem Herstellungsverfahren und der Bearbeitung unterschieden. Eine Kombination von Einzelfedern zu Federpaketen (gleichsinnig geschichtete Einzelteller) oder zu Federsäulen (wechselsinnig geschichtete Einzelteller) ermöglicht den unterschiedlichsten Belastungen gerecht zu werden, wodurch auch die Federkennlinie beeinflusst wird. Des weiteren ist auch eine Kombination aus Federpaketen und Federsäulen möglich.
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Spiralfedern/Torsionsfedern/Blattfedern werden auf Torsion und biegung beansprucht und unterstehen vorwiegend der Materialermüdung durch Dauerbeanspruchung.
 
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Es entsteht der sogenannte Dauerbruch(Dauerschwingbruch , Ermüdungsbruch).Die Bruchfläche hat im Bereich des Dauerschwinganriß meist eine glatte Struktur und der Restbruch ist normalerweise grober strukturiert. Charakteristisch für einen Dauerbruch sind die Rastlinien. Die makroskopische Erscheinungsform ist jedoch nicht immer ausgeprägt. Auslöser für diese Brüche sind Fehlstellen an der Oberfläche oder auch im Werkstück. Fehlstellen sind zum Beispiel Schlackeneinschlüsse. Im Verlauf der Bruchentstehung reduziert sich zunehmend die Materialquerschnittsfläche (Rastlinien).Zum Schluß kommt es durch Überbelastung zum Bruch (Restbruch) des Bauteils.
 
  
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A= Anriss
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Bild:7.png|Tellerfedersäule
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Bild:8.png|Tellerfederpaket
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D=Dauerbruch
+
===Drehstabfedern===
 +
Drehstabfedern werden vorwiegend auf Verdrehung beansprucht. Dazu sind sie an einem Ende fest und am anderen drehbar gelagert, so das der Schaft durch ein in Richtung seiner Achse wirkendes Moment elastisch verdrillt werden kann. Der Kennlinienverlauf einer Drehstabfeder ist linear.
  
−
R=Rastlinien
+
===Schraubenfedern===
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Schraubenfedern sind schraubenförmig um einen Dorn gewickelte Drehstabfedern, die einen  ovalen-, rechteckigen- meistens aber einen runden Querschnitt haben. Die Form der Schraubenfedern ist entweder zylindrisch oder auch nicht. Die nichtzylindrischen Schraubenfedern sind Kegelstumpf-, Tonnen- Taillenförmig. Außerdem sind sie auf Druck und durch das Anbringen von Ösen auf Zug belastbar. Durch die vielen Möglichkeiten die sich daraus ergeben verändert sich auch die Federkennlinie. Die Herstellung von Schraubenfeder ist günstig, wenn keine Sonderformen und geringe Stückzahlen erwünscht sind.
  
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G=Gewaltbruch
+
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 +
Bild:3.jpg|Zylindrische Schraubenfeder
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Bild:Federn.jpg |Kegelige Schraubenfeder mit rechteckigem Querschnitt
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</gallery>
  
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[[Bild:Gewaltbruch.jpg]]                    [[Bild:Gewaltbruch-motor.jpg]]
+
===Gummifedern===
 +
Gummifedern werden in Form einbaufertiger Elemente verwendet. Bei diesem werden die Kräfte reibungsfrei und gleichmäßig in den Gummi eingeleitet. Gummifedern werden hauptsächlich als Druck- und Schubfedern zur Abfederung von Maschinen, zur Dämpfung von Stößen und Schwingungen sowie zur Geräuschminderung eingesetzt.
  
−
== Normung/Toleranzen ==
+
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−
Normen:
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Bild:Gummifederung_eingefedert.gif |Gummifederung eingefedert
−
DIN 2092 Tellerfedern, Berechnung
+
Bild:Gummifederung_ausgefedert.gif |Gummifederung ausgefedert
−
DIN 2093 Tellerfedern, Maße und Qualitätsanforderungen
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</gallery>
  
−
== Einsatzgebiet/Anwendung ==
+
=Kontrollfragen=
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#Welche Anforderungen sind bei der Federwerkstoffauswahl zu berücksichtigen? Nenne jeweils 3. <br />
 +
#Erläutern Sie den Begriff der Federrate.<br />
 +
#Was versucht man durch Federsysteme zu erreichen?<br />
 +
#Weshalb dürfen Schraubendruckfedern nicht auf Blocklänge belastet werden?<br />
 +
#Erläutern Sie die Reibungs- Hysterese.<br />
  
−
Schnittdarstellung einer Luftfeder mit Schlauchrollbalgluftfedern finden vor allem bei LKW, Bussen und Schienenfahrzeugen Anwendung. Sie erlauben unter anderem eine Niveauregulierung, d.h. dass das Fahrzeug auch bei unterschiedlichen Beladungszuständen die gleiche Bodenfreiheit beibehält. Es kann auch gezielt eine Veränderung der Niveaulage der Fahrzeuge eingestellt werden, um z.B. bei Bussen den Einstieg zu erleichtern oder um ein Überfahren von Hindernissen zu ermöglichen (Geländefahrzeuge).
+
[[Media:Antwortenfedern2.pdf‎ |Antworten zu den Kontrollfragen]]
  
−
Luftfeder/Gasdruckfeder
+
==Dimensionierung und Berechnung==
 +
Da die Dimensionierung von Federn sehr umfangreich ist und sich vorwiegend nach dem Einsatzgebiet und dem vorhandenden Platzangebot, der Lebensdauer und den Kosten richtet muss jeder Einzelfall gesondert berechnet werden.
  
−
Bei Schienenfahrzeugen werden Luftfedern bei Fahrzeugen mit hohen Komfort- und Akustikanforderungen wie im Hochgeschwindigkeitsverkehr, im Nahverkehr (S-Bahnen), bei Triebfahrzeugen und bei Metros, die hohe Zuladungen aufnehmen müssen, eingesetzt. Die Luftfedersysteme werden über eine mechanische Hebelsteuerung niveaureguliert, so dass bei jeder Beladung ein niveaugleicher Übergang vom Fahrzug zum Bahnsteig gewährleistet werden kann.
 
  
−
Vereinzelt wurden Luftfedern schon in den 1960er Jahren in PKW eingesetzt, beispielsweise Borgward und Mercedes, konnten sich aber auf Grund der Kosten und Problemen mit der Druckdichtheit damals nicht durchsetzen. Erst heute werden Luftfedern zunehmend auch in der Ober- und Mittelklasse von PKW eingesetzt, mit dem Vorteil eines höheren Fahrkomforts. Durch die Eigenschaften der Luftfederung ist die Aufbaueigenfrequenz eines Fahrzeugs weitgehend beladungsunabhängig.
+
'''Berechnung:  Drehfeder''' Bsp. 10.1 RM
 +
Aufgabe: Eine Drehfeder mit kurzen, tangentialen Schenkeln H = 40 mm für einen Innendurchmesser D_i = 20 mm, Windungsabstand a = 1 mm soll bei gelegentlichen Laständerungen durch eine maximale Federkraft F = 600 N bis zu einem Drehwinkel ϕ_max≈120°  beansprucht werden.
 +
Für die geeignete Drahtsorte sind die Federabmessungen zu bestimmen, wenn die geringe Schenkeldurchbiegung unberücksichtigt bleibt.
  
−
Gummifeder
+
[[Lösung der Aufgabe_Drehfeder]]
−
Gummifedern werden in einem weiten Anwendungsbereich der Technik eingesetzt. Sie haben neben federnden auch dämpfende Eigenschaften. Sie werden beispielsweise als Lager für schwingende Maschinenteile eingesetzt, oder auch im Fahrwerk von Kraftfahrzeugen (frühere Generationen des Mini Cooper). Gummifedern sind inkompressibel, d.h. ihr Volumen verringert sich nicht beim Einfedern. Es ist daher Platz für ein seitliches Ausweichen vorzusehen.
 
  
−
In Kraftfahrzeugen werden zusätzlich zur eigentlichen Federung in den Endanschlägen der Achsen Zusatzfedern aus Polyurethan (PUR) oder Microcellular Urethane (MCU) eingesetzt. Es handelt sich hier um einen Kunststoffschaum, der unter Last komprimiert wird. Die Charakteristik einer solchen Feder wird maßgeblich durch die Formgebung, sowie durch zusätzliche Stützelemente wie z.B. Kunststoffringe bestimmt.
+
==Quellenangabe==
 +
*Roloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch,[http://www.vieweg.de/index.php?sid=672ba60c106180921631e0aeb1dc7fcc Vieweg Verlag], 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X.
  
−
[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]
+
*Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung,[http://www.vieweg.de/index.php?sid=672ba60c106180921631e0aeb1dc7fcc Vieweg Verlag], 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4.
  
−
Sonder-Tellerfedern:
+
*Roloff/Matek Maschinenelemente Tabellen,[http://www.vieweg.de/index.php?sid=672ba60c106180921631e0aeb1dc7fcc Vieweg Verlag], 8. Aufl. 2006. ISBN 978-3-8348-0262-0.
−
Tellerfedern für Kugellager zum Spielausgleich
 
  
−
== Dimensionierung ==
+
==Interessante Links==
  
−
Die Dimensionierung der Federn richtet sich vorwiegend nach dem Einsatzgebiet. Und wie der groß das vorhandene Platzangebot an ihren Eisatzort ist. Die Lebensdauer und die kosten spielen hierbei auch eine wesentliche Rolle. Im praxiseinsatz gilt es diese Punkte richtig abzuwiegen
+
* http://www.alcomex.de spezialisiert auf die Herstellung verschiedenster Federn
 +
* http://www.grueber.de Federhersteller
 +
* http://video.tu-clausthal.de/vorlesungen/imw/ke2-ws0506/ Vorlesungen zum Thema
 +
* http://www.federnshop.com/News/D/News_14_start.htm Das Ferdern 1 X 1
  
−
 
+
[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]
−
===Ausl./ Abmaße/ Berechn./ Werkstoff===
 
−
 
 
−
Die Charakteristik einer Feder wird beschrieben durch die Federkonstante D. Diese bezeichnet den Zusammenhang zwischen Federkraft F und Auslenkung x bei Verformung gemäß der Gleichung
 
−
 
 
−
F = -Dx.
 
−
Die Federkonstante D wird auch Federhärte oder Federsteife genannt, denn je größer D ist, desto „härter” ist die Feder. Das Minuszeichen verdeutlicht, dass die Federkraft und die Auslenkung in entgegengesetzte Richtungen weisen – die Federkraft wird auch als Rückstellkraft bezeichnet. Siehe auch Kraft
 
−
 
 
−
Die Arbeit W, die zum Erreichen der Formänderung an der Feder zu verrichten und daraufhin in ihr gespeichert ist, lässt sich im Allgemeinen nach folgender Gleichung berechnen:
 
−
 
 
−
W = -&#8747; F(x) dx
 
−
Für eine Federkraft F = -Dx ergibt sich damit
 
−
 
 
−
W = (D/2)x2
 
−
 
 
−
Werkstoffe:
 
−
Federstähle, auch nichtrostend und warmfest sowie
 
−
Kupfer- (CuSn 8, CuBe 2) und
 
−
Nickel-Legierungen (Nimonic, Inconel, Duratherm) für spezielle Anforderungen.
 
−
 
 
−
 
 
−
===Baugröße/ Kräfte/ Gewicht===
 
−
 
 
−
==Funktion;==
 
−
===Kräfte===
 
−
 
 
−
===Wirkung;===
 
−
===Sicherheit/ Belastbarkeit===
 
−
Die Sicherheit wird durch den Einsatzbereich bestimmt. Die Federbelastbarkeit wird zum einem großenteil durch ihre lebensdauer bestimmt.
 
−
 
 
−
==Bauarten==
 
−
 
 
−
===Hersteller/ Lieferanten===
 
−
 
 
−
hier steht ein Link zur Verfügung! Bei dem Sie auf einen renumierten Federhersteller Namens "Danly" gelangen.
 
−
Es stehen verschiedene Federarten wie etwa Spiralfedern, Gasdruckfedern bzw. Stickstofffedern zur ansicht bereit
 
−
[http://www.danly.de/d_downloads.php?PHPSESSID=daef9d52a35af2afeab0d923baa72636]
 
−
 
 
−
 
 
−
===Kosten===
 
−
 
 
−
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Aktuelle Version vom 16. Dezember 2010, 12:33 Uhr

Zitat.JPG

Definition elastische Federn

Federn sind Elemente, die sich unter Belastung gezielt verformen und bei Entlastung wieder die ursprüngliche Gestalt annehmen. Dabei wird potentielle Energie gespeichert, die bei der Rückfederung unter Berücksichtigung der Reibungsverluste in Form von Arbeit wieder abgegeben werden kann.

Einsatz und Verwendung

Nahezu überall im unseren Alltag finden Federn (elastische Elemente) ihre Verwendung z.B. im Auto (Stoßdämpfer, Motoraufhängung), am Fahrrad (Sattel,- Rahmen,- Lenkradfederung) beim Sport (Stabhochsprung, Poweriser) in der Fertigungstechnik als auch in der Medizintechnik (Prothesen).

  • Fahrradfeder.jpg
  • Smart.jpg

Funktion

Typische Eigenschaften für Federn im technischen Anwendungsbereich entsprechend ihrer Funktion sind - Gewährleistung des Kraftflusses und der Kraftverteilung (z.B. Federn in Kupplungen und Bremsen, Stromabnehmern bei E- Loks, Kontaktfedern, Spannfedern); - Speicherung Potentieller Energie und Rückfederung (z.B. Federmotoren Ventilfedern in Verbrennungsmotoren ); - Ausgleich von Wärmeausdehnung oder Verschleißwegen (bei Lagern und Kupplungen); - Dämpfung durch Nutzung innerer oder äußerer Reibung (z.B. Fahrzeugfederung, Motoraufhängung); - Federn als Schwingungssysteme (z.B. in der Regelungstechnik, Schwingtisch)



Funktionsbeispiel

Ohne Federung und Dämpfung:

  • Der Schwerpunkt folgt allen Bodenunebenheiten; es muss eine zusätzliche Kraft angewandt werden, um den Schwerpunkt über das Hindernis zu heben, senkrecht zur Fortbewegungsrichtung. Der Rückfall hinter dem Hindernis bringt keinen Gewinn, da die Kraft dann wiederum im rechten Winkel zur Fahrtrichtung wirkt, nur halt nach unten.

Mit gedämpfter Federung, grüne Linie:

  • Der Schwerpunkt wird verzögert und lange nicht so hoch angehoben, es wird dazu logischerweise auch weniger zusätzliche Kraft benötigt. Hinter dem Hindernis dauert es etwas, bis die ursprüngliche Schwerpunkthöhe wieder erreicht ist.

Nur Feder, blaue Linie:

  • Dieses System reagiert beim Auflauf auf das Hindernis sehr schnell, die Feder wird schnell zusammengepresst, die Anhebung dürfte am Geringsten sein, und damit die zusätzliche Kraft. Der Haken kommt danach! Dadurch, das die Federung nicht gedämpft ist schwingt diese nach. Es kann so weit gehen, dass das Rad den Bodenkontakt verliert und nicht mehr steuerbar ist.

Werkstoffe

Die Anforderungen an Federwerkstoffe können in grundlegende Anforderungen und in spezielle Anforderungen unterschieden werden. Grundlegende Anforderungen sind:

  • Hohe Elastizitätsgrenze
  • hohe statische bzw. dynamische Festigkeit
  • geringe bleibende Verformung bei Belastungen oberhalb der Elastizitätsgrenze
  • gute Kaltumformbarkeit
  • gute Vergütbarkeit
  • geringes eigen Gewicht


Spezifische Anforderungen sind:

  • Korrosionsbeständigkeit
  • elektrische Leitfähigkeit
  • Warmfestigkeit
  • nichtmagnetisches Verhalten (Messtechnik)
  • geringe Wärmeausdehnung (Messtechnik)

Federstahl Federstahl ist der am meisten verwendete Federwerkstoff, der im Vergleich zu zähen Stählen eine höhere Festigkeit und somit ein anderes Verformungsverhalten wie zähe Werkstoffe besitzt. Bei Federwerkstoffen fehlt die Fließgrenze(der Übergang vom elastischen in den plastischen Bereich), deshalb muss hier im Allgemeinen mit der Dehngrenze Rp0,2 gearbeitet werden. Bei deren Erreichen erfährt der gezogene Draht eine bleibende Dehnung εbl von 0,2 %, d.h. er wird 0,2 % länger.

Nichteisenmetalle Federn aus Nichteisenmetallen werden im Wesentlichen für niedrigere Beanspruchungen bei besonderen spezifischen Anforderungen verwendet.

Nichtmetallische Werkstoffe Bei den Nichtmetallischen Werkstoffen handelt es sich vornehmlich um Natur- oder Synthtischem Gummi (Kautschuk). Die Härte des Gummis kann durch die Menge der Füllstoffe beeinflusst werden. Für relativ kleine Federkräfte kann auch das durch Magnetwirkung entstehende Luftkissen verwendet werden.

Federrate

Bei Belastung durch eine Kraft F oder einem Moment M (T) verschiebt sich der Kräfteangriffspunkt um den Federweg s oder dem Drehwinkel ϕ. Trägt man die Verformung in Abhängigkeit von der Belastung auf, so entsteht das Federdiagramm. Die Kraft-Weg-Linie darin wird mit Federkennlinie bezeichnet.

Federsysteme

Oftmals reicht eine einzelne Feder nicht aus um eine bestimmte Belastung und Verformung zu erreichen, deshalb werden mehrere Federn gleicher sowie oder auch unterschiedlicher Abmessungen parallel oder hintereinander geschaltet.

Parallelschaltung R_ges= R_1+ R_2

Reihenschaltung 1/R_ges = 1/R_1 + 1/R_2

Gemischtschaltung 1/R_ges = 1/(R_1+R_2 )+ 1/R_3

  • Parallelschaltung

  • Reihenschaltung

  • Gemischtschaltung

Federarbeit

Funktionsbeispiel

Die bei Belastung der Feder aufgebrachte Arbeit, steht bei Entlastung nur im Idealfall bei Vernachlässigung der Reibungsverluste wieder zur Verfügung. Diese wird im Federkennliniendiagramm durch die unter der Federkennlinie liegende Fläche dargestellt.

Das Verhältnis von verfügbarer zu aufgenommener Arbeit ist der Federwirkungsgrad, der entscheidet für den sinnvollen Einsatz ist. Für η_F ≈ 1 ist der Einsatz als Energiespeicher vorteilhaft und η_F ≪ 1 dient zur Stoß- und Schwingungsdämpfung. η_F = (verfügbare Arbeit)/(aufgenommene Arbeit)

Federarten

Metallfedern-Übersicht.jpg

Blattfeder

Die einfache Blattfeder mit linearem Kennlinienverlauf kann als Freiträger betrachtet werden, der sich bei Belastung durch die Kraft F um den Weg s verformt. Blattfedern werden in Rechteck-, Trapez- und Dreiecksfedern unterschieden. Um größeren Belastungen zu widerstehen schichtet man die Trapezblattfeder möglichst spaltlos aufeinander. Zweistufige Blattfedern bestehen aus einer Haupt- und Zusatzfeder, die beim Erreichen einer bestimmten Belastung nachträglich eingreift, wodurch sich ein progressiver Kennlinienverlauf ergibt.

  • Trapezblattfeder

Drehfeder

Drehfedern werden hauptsächlich als Scharnier-, Rückstell- und Andrückfedern verwendet. Ihre Kennlinie ist eine Gerade, die anstelle der Kraft- Weg- Linie durch den Verlauf des Kraftmoments M in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ im Federkennliniendiagramm dargestellt wird. Drehfedern werden auf Biegung beansprucht.

  • Anwendungsbeispiel Drehfeder

  • Drehfedernbeispiele

Tellerfeder

Tellerfedern sind kegelförmige Ringschalen, die als Einzelteller oder kombiniert zu Federpaketen und Federsäulen in axialer Richtung belastet werden können. Die Tellerfedern sind nach DIN 2093 genormt und werden darin in harte Federn (Reihe A), weiche Federn (Reihe B) und besonders weiche Federn (Reihe C) gegliedert. In jeder Reihe wird zusätzlich nochmals in drei gruppen, entsprechend dem Herstellungsverfahren und der Bearbeitung unterschieden. Eine Kombination von Einzelfedern zu Federpaketen (gleichsinnig geschichtete Einzelteller) oder zu Federsäulen (wechselsinnig geschichtete Einzelteller) ermöglicht den unterschiedlichsten Belastungen gerecht zu werden, wodurch auch die Federkennlinie beeinflusst wird. Des weiteren ist auch eine Kombination aus Federpaketen und Federsäulen möglich.

  • Tellerfedersäule

  • Tellerfederpaket

Drehstabfedern

Drehstabfedern werden vorwiegend auf Verdrehung beansprucht. Dazu sind sie an einem Ende fest und am anderen drehbar gelagert, so das der Schaft durch ein in Richtung seiner Achse wirkendes Moment elastisch verdrillt werden kann. Der Kennlinienverlauf einer Drehstabfeder ist linear.

Schraubenfedern

Schraubenfedern sind schraubenförmig um einen Dorn gewickelte Drehstabfedern, die einen ovalen-, rechteckigen- meistens aber einen runden Querschnitt haben. Die Form der Schraubenfedern ist entweder zylindrisch oder auch nicht. Die nichtzylindrischen Schraubenfedern sind Kegelstumpf-, Tonnen- Taillenförmig. Außerdem sind sie auf Druck und durch das Anbringen von Ösen auf Zug belastbar. Durch die vielen Möglichkeiten die sich daraus ergeben verändert sich auch die Federkennlinie. Die Herstellung von Schraubenfeder ist günstig, wenn keine Sonderformen und geringe Stückzahlen erwünscht sind.

  • Zylindrische Schraubenfeder

  • Kegelige Schraubenfeder mit rechteckigem Querschnitt

Gummifedern

Gummifedern werden in Form einbaufertiger Elemente verwendet. Bei diesem werden die Kräfte reibungsfrei und gleichmäßig in den Gummi eingeleitet. Gummifedern werden hauptsächlich als Druck- und Schubfedern zur Abfederung von Maschinen, zur Dämpfung von Stößen und Schwingungen sowie zur Geräuschminderung eingesetzt.

  • Gummifederung eingefedert

  • Gummifederung ausgefedert

Kontrollfragen

  1. Welche Anforderungen sind bei der Federwerkstoffauswahl zu berücksichtigen? Nenne jeweils 3.
  2. Erläutern Sie den Begriff der Federrate.
  3. Was versucht man durch Federsysteme zu erreichen?
  4. Weshalb dürfen Schraubendruckfedern nicht auf Blocklänge belastet werden?
  5. Erläutern Sie die Reibungs- Hysterese.

Antworten zu den Kontrollfragen

Dimensionierung und Berechnung

Da die Dimensionierung von Federn sehr umfangreich ist und sich vorwiegend nach dem Einsatzgebiet und dem vorhandenden Platzangebot, der Lebensdauer und den Kosten richtet muss jeder Einzelfall gesondert berechnet werden.


Berechnung: Drehfeder Bsp. 10.1 RM Aufgabe: Eine Drehfeder mit kurzen, tangentialen Schenkeln H = 40 mm für einen Innendurchmesser D_i = 20 mm, Windungsabstand a = 1 mm soll bei gelegentlichen Laständerungen durch eine maximale Federkraft F = 600 N bis zu einem Drehwinkel ϕ_max≈120° beansprucht werden. Für die geeignete Drahtsorte sind die Federabmessungen zu bestimmen, wenn die geringe Schenkeldurchbiegung unberücksichtigt bleibt.

Lösung der Aufgabe_Drehfeder

Quellenangabe

Interessante Links

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