Elastische Federn: Unterschied zwischen den Versionen

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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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==Funktion==
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Typische Eigenschaften für Federn im technischen Anwendungsbereich entsprechend ihrer Funktion sind
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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 );
 +
- 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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-des Werkstoffes
 
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- der Form ( Z. B. Federart, Bauabmessung)
 
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-des Grades der Kompressibilität von Gasen oder Flüssigkeiten
 
  
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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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Biegefeder
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[[Bild:10.png|thumb|Funktionsbeispiel]]
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'''Ohne Federung und Dämpfung:'''  
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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. Sie werden 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.  
+
*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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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
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'''Mit gedämpfter Federung, grüne Linie:'''
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*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.
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-Spiralfedern bestehen im wesentlichen aus einem spiralförmig aufgewickelten Draht aus Federstahl z. B. C 75
 
 
    
 
    
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'''Nur Feder, blaue Linie:'''
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*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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-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.
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==Werkstoffe==
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Die Kraft ergibt sich aus der Größe der Kolbenfläche und dem Druck der auf sie wirkt.
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Die Anforderungen an Federwerkstoffe können in grundlegende Anforderungen und in spezielle Anforderungen unterschieden werden.
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Die maximale Federkraft steht sofort ab dem ersten mm des Federweges an und setzt sich demnach fast linear fort.  
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'''Grundlegende Anforderungen sind:'''
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Stickstofffedern sind meist wiederbefüllbar und wartungsarm. Doch Verunreinigungen der Lauffläche am Kolben führen zu frühzeitigen Zerstörung der Dichtungen und zum Verlust des Federinnerdruckes.
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*Hohe Elastizitätsgrenze
−
 
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*hohe statische bzw. dynamische Festigkeit
 +
*geringe bleibende Verformung bei Belastungen oberhalb der Elastizitätsgrenze
 +
*gute Kaltumformbarkeit
 +
*gute Vergütbarkeit
 +
*geringes eigen Gewicht
  
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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. 
 
  
 +
'''Spezifische Anforderungen sind:'''
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*Korrosionsbeständigkeit
 +
*elektrische Leitfähigkeit
 +
*Warmfestigkeit
 +
*nichtmagnetisches Verhalten  (Messtechnik)
 +
*geringe Wärmeausdehnung  (Messtechnik)
  
−
-Gummifedern
+
'''Federstahl'''
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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.
+
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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Luftfedern in Straßenfahrzeugen werden in zwei Formen gebaut:
 
  
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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 Druckniveau liegt in Nomallage bei ca. 5 bis 12 bar, bei dynamischer Einfederung bei ca. 10 bis 20 bar, abhängig von der Beladung.
+
'''Nichteisenmetalle'''
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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.
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Federn aus Nichteisenmetallen werden im Wesentlichen für niedrigere Beanspruchungen bei besonderen spezifischen Anforderungen verwendet.
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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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'''Nichtmetallische Werkstoffe'''
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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.
  
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==Herstellung==
+
==Federrate==
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1. gestanzt bzw. feingeschnitten aus Bandmaterial
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Bei Belastung durch eine Kraft F oder einem Moment M (T) verschiebt sich der Kräfteangriffspunkt um den Federweg s oder dem Drehwinkel ϕ.  
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2. wie 1. mit gedrehten Innen- und Außendurchmesser
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Trägt man die Verformung in Abhängigkeit von der Belastung auf, so entsteht das Federdiagramm. Die Kraft-Weg-Linie darin wird mit [[Federkennlinie]] bezeichnet.
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3. aus warmgeformten Platinen, Oberfläche komplett gedreht
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* zum [[Federkennlinie|Experiment]]
−
4. gelasert aus Bandmaterial bei kleinen Stückzahlen
 
  
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==Vor- und Nachteile==  
+
==Federsysteme==
  
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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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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.
  
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Vorteile:
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Parallelschaltung
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Die Tellerfeder hat im Vergleich mit anderen Federarten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften:
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R_ges= R_1+ R_2
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1. Sie kann bei kleinem Einbauraum sehr große Kräfte aufnehmen.
 
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2. Ihre Federkennlinie kann je nach den Maßverhältnissen linear oder degressiv sein und durch geeignete Anordnung auch progressiv gestaltet werden.
 
−
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.
 
  
 +
Reihenschaltung
 +
1/R_ges = 1/R_1 + 1/R_2
  
−
==Verschleiß==
+
Gemischtschaltung
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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.
+
1/R_ges = 1/(R_1+R_2 )+ 1/R_3
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Spiralfedern/Torsionsfedern/Blattfedern werden auf Torsion und biegjung beansprucht und unterstehen vorwiegend der Materialermüdung durch Überbeanspruchung. Diese Federarten werden ausgelegt mit Federkraft, Federweg und Lebensdauer
 
  
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Bild: Parallel.png|Parallelschaltung
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Bild: Reihen.png |Reihenschaltung
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Bild: Gemischt.png|Gemischtschaltung
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==Federarbeit==
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[[Bild:Reibungs-Hysterese.png|thumb|left|Funktionsbeispiel]]
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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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==Normung/Tolerazen==
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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.
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Normen:
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η_F = (verfügbare Arbeit)/(aufgenommene Arbeit)
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DIN 2092 Tellerfedern, Berechnung
 
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DIN 2093 Tellerfedern, Maße und Qualitätsanforderungen
 
  
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==Federarten==
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[[Bild:Metallfedern-Übersicht.jpg]]
  
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===Blattfeder===
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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.
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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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Bild:4.jpg|Trapezblattfeder
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==Einsatzgebiet/Anwendung==
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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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Bild:5.jpg|Anwendungsbeispiel Drehfeder
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Bild:6.jpg|Drehfedernbeispiele
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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).
+
===Tellerfeder===
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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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Luftfeder/Gasdruckfeder
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Bild:7.png|Tellerfedersäule
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Bild:8.png|Tellerfederpaket
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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.
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===Drehstabfedern===
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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.
  
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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.
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===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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Gummifeder
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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.
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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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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.
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===Gummifedern===
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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.
  
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Bild:Gummifederung_eingefedert.gif |Gummifederung eingefedert
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Bild:Gummifederung_ausgefedert.gif |Gummifederung ausgefedert
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=Kontrollfragen=
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#Welche Anforderungen sind bei der Federwerkstoffauswahl zu berücksichtigen? Nenne jeweils 3. <br />
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#Erläutern Sie den Begriff der Federrate.<br />
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#Was versucht man durch Federsysteme zu erreichen?<br />
 +
#Weshalb dürfen Schraubendruckfedern nicht auf Blocklänge belastet werden?<br />
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#Erläutern Sie die Reibungs- Hysterese.<br />
  
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[[Media:Antwortenfedern2.pdf‎ |Antworten zu den Kontrollfragen]]
  
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==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.
  
  
−
[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]
+
'''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==
 +
*Roloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch,[http://www.vieweg.de/index.php?sid=672ba60c106180921631e0aeb1dc7fcc Vieweg Verlag], 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X.
  
−
Sonder-Tellerfedern:
+
*Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung,[http://www.vieweg.de/index.php?sid=672ba60c106180921631e0aeb1dc7fcc Vieweg Verlag], 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4.
−
Tellerfedern für Kugellager zum Spielausgleich
 
  
 +
*Roloff/Matek Maschinenelemente Tabellen,[http://www.vieweg.de/index.php?sid=672ba60c106180921631e0aeb1dc7fcc Vieweg Verlag], 8. Aufl. 2006. ISBN 978-3-8348-0262-0.
  
 +
==Interessante Links==
  
−
==Dimensionierung==
+
* 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
  
−
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
+
[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]
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−
 
 
−
 
 
−
===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===
 
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−
==Funktion;==
 
−
===Kräfte===
 
−
 
 
−
===Wirkung;===
 
−
===Sicherheit/ Belastbarkeit===
 
−
 
 
−
 
 
−
==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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------------------------------------------------------------------------------------------------
 
−
Ablage
 
−
 
 
−
Auslegung Druckfedern
 
−
 
 
−
Mit dem vorliegenden Programm können Druckfedern auf Grundlage der DIN 2089 Teil 1, Ausgabe Dezember 1984, für statische und dynamisch Belastungen ausgelegt werden.
 
−
Das Programm verfügt über 2 Technologiedateien für Werkstoff- und Festigkeitskennwerte. Die Berechnugergebnisse können graphisch auf dem Bildschirm dargestellt werden. (Federkennlinie, Goodman- Diagramm).
 
−
Die Kriterien für die Auslegung der Druckfeder sind die zulässige Schubspannung  und der nuztzbare Federweg  .
 
−
Insgesamt verfügt das Modul Auslegung Druckfedern über 3 Berechnungsgänge, die aufgrund der aktuellen Eingabeparameter automatisch vom Berechnungsmodul erkannt werden.
 
−
 
 
−
Nachfolgend sind die Berechnungsgänge kurz dargestellt:
 
−
- Vorgabe des Drahtdurchmesser  ( Ermittlung  der Anzahl  der federnden Windungen).
 
−
- Vorgabe  der  Anzahl  der  federnden  Windungen (Ermittlung des Draht durchmesser  ).
 
−
- Keine  Vorgabe  des  Drahtdurchmesser  und der Anzahl  der federnden Windungen (Ermittlung des Drahtdurchmesser  nach Vorzugsreihe. -> Ermittlung der Anzahl  der federnden Windungen).
 
−
 
 
−
Berechnungsgrundlage
 
−
 
 
−
Die Berechnungsgrundlage  für das Modul Auslegung von Druckfedern stellt die DIN 2089 Teil 1, Ausgabe Dezember 1984 dar.
 
−
 
 
−
Desweiteren wurden folgende DIN - Normen verwendet:
 
−
- DIN  2076, Ausgabe  Dezember  1984  (Runder  Federdraht,
 
−
Maße, Gewichte, zulässige Abweichungen)
 
−
- DIN  2077, Ausgabe  Februar  1979 (Federdraht rund, warmge-
 
−
walzt, Maße zul. Maß- und Formabweichungen)
 
−
- DIN  2095, Ausgabe  Mai  1973    (Gütevorschriften  für  kalt-
 
−
geformte Druckfedern)
 
−
- DIN  2096, Teil 1, Ausgabe  November  1981  (Güteanforderungen  bei
 
−
warmgeformten Druckfedern)
 
−
- DIN  2096, Teil 2, Ausgabe Januar 1979 (Güteanforderungen für Groß-
 
−
serienfertigung)
 
−
- DIN 17221, Ausgabe Dezember 1988 (Warmgewalzte Stähle  für
 
−
vergütbare Federn)
 
−
- DIN 17223, Teil 1, Ausgabe  Dezember  1984  (Runder Federstahldraht)
 
−
- DIN 17223, Teil 2, Ausgabe  September  1990 (Runder Federstahldraht)
 
−
- DIN 17224, Ausgabe  Februar  1982  (Federdraht  aus  nicht rost-
 
−
enden Stählen)
 
−
- DIN 17682, Ausgabe  August  1979  (Runde  Federdrähte  aus
 
−
Kupfer-Knetlegierungen)
 
−
 
 
−
Geltungsbereich
 
−
In Abhängigkeit der Gütevorschriften nach DIN 2095 bzw. DIN 2096 Teil 1 und 2 ist der  Geltungsbereich für kalt- und warmgewalzte Schraubendruckfedern wie folgt festgelegt:
 
−
 
 
−
DIN 2095 DIN 2096 T1 DIN 2096 T2
 
−
 
 
−
Losgröße:
 
−
Drahtdurchmesser  :
 
−
Mittl. Windungsdurchmesser  :
 
−
Äußerer Windungsdurchm  :
 
−
Federlänge unbelastet  :
 
−
Anzahl fed. Windungen  :
 
−
Wickelverhältnis  :
 
−
Blockfederweg  :
 
−
 
 
−
Die Arbeitstemperatur kann im Bereich  :     berücksichtigt werden.
 
−
Die Vergrößerung des Windungsdurchmessers wird berücksichtigt.
 
−
Nicht berücksichtigt werden durch dieses Programm Querfederung, Relaxation und Stoßbeanspruchung.
 
−
 
 
−
Berechnungsformeln
 
−
 
 
−
Federwege ( ) :
 
−
Federhub :
 
−
Federweg (zugeordnet  ) :
 
−
Längen :
 
−
Federrate :
 
−
Schubspannungen :
 
−
Wickelverhältnis :
 
−
Spannungsbeiwert :
 
−
Korrigierte Schubspannungen :
 
−
1. Eigenfrequenz :
 
−
Korrigierte  - Modul :
 
−
Korrigierte  - Modul :
 
−
Gesamtanzahl der Windungen :   (kaltgeformt)
 
−
  (warmgeformt)
 
−
Mindestabstand zwischen den :
 
−
(kaltgeformt, statisch)
 
−
wirksamen Windungen :
 
−
(warmgeformt, statisch)
 
−
Mindestabstand zwischen den :
 
−
(kaltgeformt, dynamisch)
 
−
wirksamen Windungen :
 
−
(warmgeformt, dynamisch)
 
−
kleinste zul. Federlänge :
 
−
Steigung :
 
−
(Federn angelegt und geschliffen)
 
−
 
−
(Federn mit unbearbeiteten Federenden)
 
−
Vergrößerung des Windungs-
 
−
durchmessers :
 
−
Blocklänge :
 
−
(Federenden angelegt und geschliffen)
 
−
 
−
(Federenden angelegt und unbearbeitet)
 
−
 
−
(Federenden angelegt und planbearbeitet)
 
−
 
−
(Federenden unbearbeitet)
 
−
Drahtlänge :
 
−
Gewicht :
 
−
Federungsarbeit :
 
−
     
 
−
Auslegung Tellerfedern
 
−
 
 
−
Mit dem vorliegenden Programm können in Achsrichtung belastete Tellerfedern bei  Verwendung als Einzelteller, als  Tellerfederpaket oder in der Tellerfedersäule für statische und dynamische Beanspruchung  dimensioniert werden.
 
−
 
 
−
In einer Vordimensionierung ermittelt das Programm verschiedene günstige Federkombinationen  und bietet diese zur Auswahl an. Dabei werden Federkräfte, Einbaumaße und der zu realisierende Federhub berücksichtigt. Zugrunde liegen dabei Tellerfedern nach DIN 2093 Tabelle 2-4.
 
−
 
 
−
Eine vom Benutzer ausgewählte Federkombination wird in ihren Eigenschaften berechnet. Auswahlkriterien können hierbei sein: Ausnutzung des  Einbauraums, Anzahl der benötigten Federn.
 
−
 
 
−
Die Berechnungsergebnisse können graphisch auf dem Bildschirm dargestellt werden (Tellerfederdiagramm (  ), Goodman - Diagramm).
 
−
 
 
−
Berechnungsgrundlage
 
−
 
 
−
Die Berechnungsgrundlage für das Modul Auslegung von Tellerfedern stellen DIN 2092,  Ausgabe  September  1990  und  DIN 2093, Ausgabe September 1990 dar.
 
−
 
 
−
Desweiteren wurden folgende DIN - Normen verwendet:
 
−
 
 
−
- DIN  2089,  Teil 1, Ausgabe Dezember 1984 (Berechnung und Konstruktion
 
−
          von zylind. Schraubendruck-
 
−
          federn)
 
−
- DIN 17221,          Ausgabe Dezember  1988 (Warmgewalzte Stähle für ver-
 
−
          gütbare Federn)
 
−
- DIN 17222,        Ausgabe  August      1979 (Kaltgewalzte  Stahlbänder  für
 
−
        Federn)
 
−
- DIN 17224,        Ausgabe  Februar      1982 (Federdraht und Federband aus
 
−
          nicht rostenden Stählen)
 
−
 
 
−
Geltungsbereich
 
−
 
 
−
Der Geltungsbereich des Berechnungsmoduls Auslegung Tellerfedern ist wie folgt definiert:
 
−
 
 
−
- identische Tellerfedern innerhalb der zu berechnenden Tellerfedersäule
 
−
- alle  Federpakete  innerhalb  der zu berechnenden Tellerfedersäule bestehen aus gleich vielen Einzelfedern.
 
−
- keine Berücksichtigung der Reibung der Tellerfeder
 
−
- Arbeitstemperaturbereich : 
 
−
- Dimensionierung nach genormten Maßreihen (Reihe  , Reihe  , Reihe  , DIN 2093, Tabelle 2-4)
 
−
- Berücksichtigung der Korrektur der Festigkeitskennwerte nach DIN 2092  für  Sonderwerkstoffe (Elastizitätsmodul, Festigkeitswerte)
 
−
 
 
−
Berechnungsformeln
 
−
 
 
−
Kennwert:
 
−
Kennwert:
 
−
Kennwert:
 
−
Kennwert:
 
−
Kennwert:
 
−
Kennwert:
 
−
Kennwert:
 
−
Federweg:
 
−
Federweg:
 
−
Federkraft:
 
−
       
 
−
Spannung an Stelle OM:
 
−
Spannung an Stelle I:
 
−
 
−
 
 
−
Spannung an Stelle II:
 
−
       
 
−
Spannung an Stelle III:
 
−
       
 
−
Spannung an Stelle IV:
 
−
       
 
−
Federrate:
 
−
     
 
−
Federungsarbeit:
 
−
       
 
−
Gesamtkraft:
 
−
Gesamtfederweg:
 
−
Länge  . unbel. Säule:
 
−
Korrigierter  - Modul:
 
−
Gewicht Einzelfeder:
 
−
     
 
−
Auslegung Drehfedern
 
−
 
 
−
Mit dem  vorliegenden Programm  können zylindrische  Drehfedern mit linearer Kennlinie aus runden Drähten mit konstantem Durchmesser berechnet werden.
 
−
 
 
−
Für die Auslegung von  Drehfedern sind neben dem Einbauraum das größtmögliche Federmoment , der zugehörige maximale Drehwinkel  und die zulässigen Biegespannungen bzw. Hubspannungen entscheidend. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren  wird auf die Festlegung esines erforderlichen Drahtdurchmessers  abgezielt.
 
−
Für  die  Ermittlung des Drahtdurchmessers können der Hubwinkel  und die Momente  und  sowie die Windungsanzahl  eingegeben werden.
 
−
 
 
−
Berechnungsgrundlage
 
−
 
 
−
Die Berechnungsgrundlage für das Modul Auslegung von Drehfedern stellt die DIN 2088, Ausgabe Dezember 1988 dar.
 
−
 
 
−
Desweiteren wurden folgende DIN - Normen verwendet:
 
−
 
 
−
- DIN  2076, Ausgabe Dezember 1984 (Runder Federdraht, Maße,
 
−
  Gewichte,  zulässige  Ab-
 
−
  weichungen)
 
−
- DIN  2077, Ausgabe  Februar  1979  (Federdraht  rund,  warmge-
 
−
  walzt, Maße  zul.  Maß- und
 
−
  Formabweichungen)
 
−
- DIN  2194, Entwurf Dezember 1988  (Zylindrische Schraubenfedern
 
−
  aus runden Drähten u. Stäben)
 
−
- DIN 17221, Ausgabe  Dezember  1988 (Warmgewalzte  Stähle  für
 
−
  vergütbare Federn)
 
−
- DIN 17223, Teil 1, Ausgabe  Dezember  1984 (Runder  Federstahldraht)
 
−
- DIN 17223, Teil 2, Ausgabe  September  1990 (Runder  Federstahldraht)
 
−
- DIN 17224, Ausgabe  Februar      1982 (Federdraht  aus  nicht  rost-
 
−
    enden Stählen)
 
−
- DIN 17682, Ausgabe August        1979 (Runde Federdrähte aus Kup-
 
−
    fer Knetlegierungen)
 
−
 
 
−
Geltungsbereich
 
−
 
 
−
Der  Geltungsbereich  für  kaltgeformte  Drehfedern  ist nach DIN 2194 wie folgt festgelegt:
 
−
 
 
−
Drahtdurchmesser :
 
−
Wickelverhältnis :
 
−
Betriebstemperatur :
 
−
Federpaketlänge :
 
−
Mittlerer Windungsdurchmesser :
 
−
Windungsanzahl :   
 
−
 
 
−
Hinweis: DIN 2194 ist nur für kaltgeformte Drehfedern gültig. Bei Verwendung von warmgeformten schlußvergüteten Drehfedern wird aufgrund des Geltungsbereiches eine Rücksprache mit dem Federdrahthersteller empfohlen.
 
−
 
 
−
Die Vergrößerung des Drehwinkels  infolge Durchbiegung eines abgebogenen  bzw.  tangentialen langen, nicht fest eingespannten Schenkels wird berücksichtigt.
 
−
 
 
−
Berechnungsformeln
 
−
 
 
−
Federrate:
 
−
Biegespannungen:
 
−
Wickelverhältnis:
 
−
Spannungsbeiwert
 
−
in Abhängigkeit des
 
−
Wickelverhältnisses:
 
−
Spannungsbeiwert in
 
−
Abhängigkeit des
 
−
Abbiegeverhältnisses  : lineare Interpolation
 
−
Korrigierte Biegespannungen:
 
−
Vorhandene Hubspannung:
 
−
Korrigierte  - Modul:
 
−
Korrigierte  - Modul:
 
−
Steigung:
 
−
Steigungswinkel:
 
−
Länge unbel. Federkörper:
 
−
Drahtlänge (bei  ):
 
−
Drahtlänge (bei  ):
 
−
Gewicht der Feder:
 
−
Federungsarbeit:
 
−
Innerer Windungsdurchmesser der
 
−
um den Winkel  im Wikkelsinn gedrehten Feder:
 
−
 
−
Äußerer Windungsdurchmesser der um
 
−
den Winkel  im öffnenden Sinn gedrehten Feder:
 
−
 
−
Vergrößerung des Drehwinkels 
 
−
infolge Durchbiegung eines abgebogenen
 
−
langen, nicht fest eingespannten Schenkels:
 
−
 
−
Vergrößerung des Drehwinkels 
 
−
infolge Durchbiegung eines tangentialen
 
−
langen, nicht fest eingespannten Schenkels:
 
−
 
−
     
 
−
 
 
−
 
 
−
 
 
−
 
 
−
 
 
−
-  Information Druckfeder-Berechnung 
 
−
 
−
Gängige Kombinationen sind:
 
−
 
−
De oder Di, F2, R
 
−
De oder Di, F2, R, L0
 
−
De oder Di, F2, s2
 
−
De oder Di, F2, s2, F1 oder s1
 
−
De oder Di, F2, L2, L0
 
−
De oder Di, F2, L2, F1 oder L1
 
−
 
−
 
 
−
 
 
−
 
−
Di = Innerer Windungsdurchmesser (mm)
 
−
De = Äusserer Windungsdurchmesser (mm)
 
−
F1 = Kraft der Feder vorgespannt (N)
 
−
F2 = Kraft der Feder gespannt (N)
 
−
s1 = Strecke der Feder vorgespannt (mm)
 
−
s2 = Strecke der Feder gespannt (mm)
 
−
R = Federrate (N/mm)
 
−
L0 = Ungespannte Länge der Feder (mm)
 
−
L1 = Länge der Feder vorgespannt (mm)
 
−
L2 = Länge der Feder gespannt (mm)
 
−
 
−
 
 
−
 
 
−
Di= Innerer Windungsdurchmesser (mm)
 
−
De= Äußerer Windungsdurchmesser (mm)
 
−
L0 = Ungespannte Länge der Feder (mm)
 
−
s1 = Strecke der Feder vorgespannt (mm)
 
−
F1 = Kraft der Feder vorgespannt (N)
 
−
s2 = Strecke der Feder gespannt (mm)
 
−
F2 = Kraft der Feder gespannt (N)
 
−
 
−
 
 
−
 
 
−
 
−
Di= Innerer Windungsdurchmesser (mm)
 
−
De= Äußerer Windungsdurchmesser (mm)
 
−
L0 = Ungespannte Länge der Feder (mm)
 
−
L1 = Länge der Feder vorgespannt (mm)
 
−
F1 = Kraft der Feder vorgespannt (N)
 
−
L2 = Länge der Feder gespannt (mm)
 
−
F2 = Kraft der Feder gespannt (N)
 
−
 
−
 
−
 
 
−
 
 
−
2
 

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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