Elastische Federn

Für Neuerstellung: --David 12:33, 8. Dez 2007 (CET)

Bene-diction

Aufgabe / Funktion

• 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.

• 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 zugdruckbeanspruchtefedern unterschieden.

• Die Gestalt von Federn ist unterschiedlich (z.B. Blattfeder, Spiralfeder, Tellerfeder, Schraubenfeder) und vor allem von der Beanspruchungsart und dem Verwendungszweck abhängig. Kennzeichnend für jede Feder ist die Federkennlinie, die progressiv, linear oder degressiv verlaufen kann.

• Ihre Aufgabe ist es

Kraftfluss gewährleisten Energiespeicher gesteuerte Rückfederung Spielausgleich Wärmeausdehnung Verschleiß Dämpfung, Lagerung Reibungsarbeit Schwingungssystem dynamische Kraftanregung

-Einsatzgebiete Kupplung, Bremse, Kontaktfeder Federmotor, Ventiltrieb Lager, Kupplung Radaufhängung, Motoraufhängung

Je nach Aufgabenstellung an die Feder kann der Verformungsweg kleiner/größer und die Dämpfung kleiner/größer sein. Beides beeinflusst man mit der Wahl;

-des Werkstoffes - der Form ( Z. B. Federart, Bauabmessung) -des Grades der Kompressibilität von Gasen oder Flüssigkeiten

Werkstoffe

Federstahl

Stahl ist der am meisten verwendete Federwerkstoff, da er durch seine chemische Zusammensetzung, Bearbeitung und Wärmebehandlung maßgeblich beeinflusst werden kann.

Nichteisenmetalle

Nichteisenmetalle kommen im Wesentlichen für niedrige Beanspruchungen zum tragen. Besonders bei korrosionsbeanspruchten Einsatzgebieten.

Nichtmetallische Werkstoffe

Sind natürlicher und synthetischer Herkunft. Sie werden meist als Dämpfungs- bzw. schwingungsmindernt eingesetzt. Ebenso werden Gase in Verbindung mit Flüssigkeiten als z. B. Dämpfer eingesetzt.

Arten von Elastischen Federn

Es gibt verschiedene Arten bzw. Aufbauweisen von Federn:

Drehstabfedern, Spiralfedern, Stickstofffedern, Tellerfedern und Elastomere.

Schrauben-Druck-Feder

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.

Kräfte

Federdiagramm

Bei einer Belastung der Feder durch eine Kraft F bzw. eines Momentes M verschiebt sich der Kraftangriffspunkt um den Federweg s bzw. um den Drehwinkel (griechisch) psi. Trägt man die Verformung in Abhängigkeit von der Belastung auf, so entsteht das Federdiagramm. Die Kraft-Weg-Linie wird als Federkennlinie bezeichnet.

Federkennlinie

Die Federkennlinie beschreibt die Belastung der Feder im Verhältnis zum Weg den sie macht.

Ist die Federkennlinie linear setzt sich die Kennlinie linear fort. Die Belastung und die Verformung sind proportional. d. h. doppelte Federkraft ergibt auch den doppelten Federweg. Je steiler die Kennlinie verläuft, umso geringer sind bei gleicher Belastung die Verformungen. Die Feder ist also steifer bzw. härter. Eine annähernd gerade Kennlinie zeigen beispielsweise. Blatt-, Dreh-, und zylindrische Schraubenfedern. Ist die Federrate R über den Arbeitsbereich der Feder veränderlich, so erhält man eine gekrümmte Kennlinie.

Dabei unterscheidet man zwei Arten;

-progressiv: Diese Federn weisen eine ansteigend gekrümmte Kennlinie auf. d. h. das die Feder mit jeweils steigender Last härter wird. Dadurch wird beispielsweise ein Durchschlagen der Feder vermieden und ein schnelles Abklingen von Schwingungen beschleunigt. Dies ist besonders im Fahrzeugbau erwünscht. Diese Kennlinie weisen z. B. geschichtete Blattfedern und kegeliege Schraubendruchfedern auf.

-degressiv: Diese Federn weisen eine abfallend gekrümmte Kennlinie auf. d. h. das die Feder mit jeweils steigender Last weicher wird. Dies wird erwünscht, wenn nach einer bestimmten Belastung ein weiterer größerer Federweg bei kleinerem Kraftanstieg benötigt wird. Etwa bei Spiel- und Druckausgleich bei Reglern. Degressive Federn sind beispielsweise Gummifedern oder zugbelastete Federn.

Gerade Torsionsfeder

Stäbe, Drähte oder Bänder mit fester Einspannung an beiden Enden, wobei 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. Die Federkennlinie ist linear.

Spiralfeder und schwingende Unruh-Spiralfeder 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. 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.

Blattfeder

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.

Ihre Federkennlinie ist progressiv.

Tellerfeder

Unter einer Tellerfeder versteht man eine kegeliege 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.

Vorteile:

Die Tellerfeder hat im Vergleich mit anderen Federarten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften:

1. Sie kann bei kleinem Einbauraum sehr große Kräfte aufnehmen.
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.
4. Hohe Lebensdauer bei dynamischer Belastung, wenn die Feder richtig dimensioniert ist.

Gummifedern

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.

Ihre Federkennlinie ist progressiv.

Stickstofffedern

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.

Die Kraft ergibt sich aus der Größe der Kolbenfläche und dem Druck, der auf sie wirkt. Die eine hohe Federkraft steht sofort ab dem ersten mm des Federweges an und setzt sich demnach fast linear fort. Es wird also keine Vorspannung der Feder erforderlich.

Sie werden auch als Dämpfungselement eingesetzt z. B. im Fahrzeugbau.

Stickstofffedern sind meist wiederbefüllbar und wartungsarm. Doch Verunreinigungen der Lauffläche am Kolben führen zu frühzeitigen Zerstörung der Dichtungen und zum Verlust des Federinnerdruckes.

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. 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).

Gasdruckfedern werden meist als Öffnungsmechanismus, beispielsweise an der Kofferraumklappe bei Automobilen verwendet. Bei ihnen schiebt der innere Gasdruck die Kolbenstange mit einer konstanten Kraft aus dem Zylinder.

Herstellung

1. gestanzt bzw. feingeschnitten aus Bandmaterial

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

Allgemein zu anderen Verbindungsarten

Vorteile

-Kraftübertragung über lange lineare Wege wie etwa beim Kleben.

• Eine federnde Verbindung ist nicht stoffschlüssig und somit findet keine Gefügeänderung statt.

• Die Verbindung läst sich ohne Beschädigung wieder lösen.

-Prüfung der Funktion ohne Zerstörung des Elementes.

-Ausgleich von Bewegungen bzw. Dämpfung.

-Sie können Energie speichern und wieder abgeben

-gesteuerte Rückfederung

• Je nach Auslegung Verschleiß und Wartungsarm

Nachteile

• Für die Einbringung einer Feder wird meist mehr Platz nötig, als bei einer Verbindungsart, wie Löten, oder Nieten.

-Es wird für die Fixierung eine weitere Verbindungsart benötigt, wie z. B. Verschraubung

-Ein federndes Verbindungselement ist kostenintensive

• Die verschiedenen Federarten weisen typspezifische Vor- bzw. Nachteile auf.

• Diese ergeben sich aus ihrem Aufbau ihrer Ausführung und ihrem Werkstoff.

Verschleiß

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.

Spiralfedern/Torsionsfedern/Blattfedern werden auf Torsion und Biegung beansprucht und unterstehen vorwiegend der Materialermüdung durch Dauerbeanspruchung. Es entsteht der so genannte Dauerbruch (Dauerschwingbruch, Ermüdungsbruch).

Das Werkstoffverhalten bei der Schwingungsbeanspruchung wird durch die tatsächliche Spannungsverteilung in Bauteilquerschnitt bestimmt. Durch dauernde, zu starke Spannungserhöhungen infolge geometrischer und/oder metallurgischer Kerben kommt es aufgrund unregelmäßiger Spannungsverteilung an den inneren oder äußeren Kerbstellen zu einem allmählichen Ermüden des Werkstoffes. Auch bei Beanspruchungsamplituden unterhalb der Streckgrenze treten unter Schwingbeanspruchung irreversible plastische Abgleitungen auf. In den Gitterebenen mit der höchsten Schubspannung, bei Zug-Druck-Beanspruchung also unter 45° zur Achse, führt dieses Hin- und Hergleiten allmählich zu einer Zerrüttung des Gefüges. Der Trennwiderstand des Werkstoffes ist in den Spannungsspitzen nicht mehr gewachsen. Es kommt zu Mikrorissen, die schließlich die Ursache des Dauerbruches (Ermüdungsbruch) sind. Dieser Vorgang läst sich häufig an den so genannten Rastlinien auf der Dauerbruchfläche erkennen, denn von den Mirkorissen pflanzt sich das Einreißen mit jeder Belastungsspitze weiter fort. Der endgültige Bruch erfolgt dann schließlich als Gewaltbruch des Restquerschnittes. Merke; Die Bruchfläche hat im Bereich des Dauerschwinganrisses meist eine glatte Struktur und der Restbruch ist normalerweise grobe Struktur. Charakteristisch für einen Dauerbruch sind die Rastlinien

An dem Verhältnis der Bruchflächen kann die Größe der Überbelastung ablesen. Je größer die Belastungsspitze desto kleiner ist der Anteil des Anrisses und der Rastlinien gegenüber dem Anteil des Gewaltbruches

Auslöser für diese Brüche sind auch 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.

A= Anriss D = Dauerbruch R = Rastlinien G = Gewaltbruch

Normung/Toleranzen

Normen: DIN 2092 Tellerfedern, Berechnung DIN 2093 Tellerfedern, Maße und Qualitätsanforderungen

Einsatzgebiet/Anwendung

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).

Luftfeder/Gasdruckfeder

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.

Gummifeder

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. 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.

Dimensionierung

Die Dimensionierung der Federn richtet sich vorwiegend nach dem Einsatzgebiet. Und wie der groß das vorhandene Platzangebot an ihren Einsatzort ist. Die Lebensdauer und die Kosten spielen hierbei auch eine wesentliche Rolle. Im Praxiseinsatz gilt es diese Punkte richtig abzuwiegen.

Ausl./ Abmaße/ Berechn./

Media:Formeln_Berechnung_Schraubendruckfeder.pdf

Media:Lösung_Berechnung_Schraubendruckfeder.pdf

Sicherheit/ Belastbarkeit

Die Sicherheit wird durch den Einsatzbereich bestimmt. Die Federbelastbarkeit wird zum einem großen Teil durch ihre Lebensdauer bestimmt.

Bauarten

Übersicht beschiedener Bauarten von Metallfedern

Hersteller/ Lieferanten

• Federhersteller "Danly": Es stehen verschiedene Federarten wie etwa Spiralfedern, Gasdruckfedern bzw. Stickstofffedern zur Ansicht bereit. [1]