Wann Wellenfedern die richtige Wahl sind

Wellenfedern zeichnen sich durch ein gutes Verhältnis von Kraft zu Arbeitshöhe aus und stellen eine weitestgehend konstante Kraft über einen großen Federweg sicher. Mehr noch: Auch axiale und radiale Platzeinsparungen, die Eliminierung von Torsionsbelastungen beim Einfedern und höhere Akzeptanz von Bauteiltoleranzen machen die Federelemente zu Gewinnern in einer Vielzahl von technischen Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen.

Die Fähigkeit, feine lineare Anpassungen über den gesamten Kraftbereich vorzunehmen, ist ein Hauptvorteil von Flachdrahtwellenfedern. Im Vergleich mit Spiral- oder Tellerfedern bieten diese Art Wellenfedern äußerst flach verlaufende Kennlinien mit einem linear verlaufenden Kennlinienbereich, der zwischen 30 und 70 Prozent Durchbiegung liegt. Besonders nützlich ist das im Maschinenbau, beim Einsatz von Zahnradsätzen, Rutschkopplungen, Sicherheitsventilen oder Schnellverbindern.

Innerhalb eines Zahnradsatzes beispielsweise ermöglichen Flachdrahtwellenfedern die oft notwendige Kompensierung von Bauteiltoleranzen. Bei der Verwendung von Rutschkupplungen zum Schutz bestimmter Maschinenkomponenten ist es entscheidend, dass die Kupplung schnell auf die voreingestellten, maximalen Drehmomentwerte reagiert. Hier punkten die Federn mit feinsten Einstellungen bei der Vorspannkraft. Das Auslösedrehmoment der Rutschkupplung kann so definiert werden, dass ein Schutz vor Überlastung, ohne Verluste durch ein zu frühes Auslösen, gewährleistet ist. Anders ist das bei Durchfluss- und Sicherheitsventilen. Sie müssen sich verlässlich bei vordefinierten Druckpunkten öffnen.

Flachdrahtwellenfedern ermöglichen hier eine akkurate Bestimmung des Druckpunkts. Deshalb werden sie oftmals in Feuerlöschsystemen eingesetzt. Flachdrahtwellenfedern werden hier also in Konstruktionen verwendet, um durch eine genau definierte Vorspannkraft sicher zu stellen, dass die Verbindungselemente sich nicht vorzeitig und selbstständig öffnen.

Die flach verlaufende, lineare Kennlinie ist auch bei großen Bauteiltoleranzen vorteilhaft, um Störgeräusche oder Verschleiß zu verhindern. Wer beispielsweise Wälzlager sicher verbauen will, muss, mechanisch präzise, eine permanente Vorspannkraft auf die Lagereinheit ausüben. Durch die Lagervorspannung wird die Bauteillebensdauer verlängert, indem unnötiges Lagerspiel eliminiert wird. Auch Geräusche und Vibrationen werden so minimiert.

In Impellerpumpen großer Dieselmotoren werden die Wellenfedern ebenfalls eingesetzt. Das Ziel: die Lebensdauer erhöhen und die Wartungsintervalle der Pumpen verlängern. Dafür wird die Feder innerhalb des Pumpengehäuses um die Welle herum montiert und verspannt das Pumpengehäuse gegen das Wälzlager auf der Antriebsseite des Impellers. Die vorgespannte Wellenfeder hilft so, die hohen Axialkräfte der Antriebswelle zu kompensieren, die auf das Kegelrollenlager einwirken. Außerdem trägt sie dazu bei, die Position der Wälzlager an Ort und Stelle zu halten und effektiv nachteilige Vibrationen zu minimieren.

Axiale Bauraumeinsparungen sind der augenfälligste Vorteil von Flachdrahtwellenfedern gegenüber herkömmlichen Federelementen. In statischen Anwendungen benötigen sie oft nur die Hälfte des axialen Bauraums vergleichbarer Spiralfedern. Bei dynamischen Anwendungen verringert sich dieser Vorteil jedoch. Zusätzlich können Wellenfedern, verglichen mit Teller- und Spiralfedern mit hohen Durchmessern, Platz in radialer Richtung sparen.

Am Beispiel Gleitringdichtung zeigen sich die Vorteile deutlich: Ein Gleitring wird mit Vorspannkraft gegen das statische Gehäuse gedrückt, so entsteht ein Dichtungseffekt. Der Einsatz von Flachdrahtwellenfedern bietet hier mehrere Vorteile gegenüber Spiralfedern. Sie sorgen für Bauraumeinsparung in axialer Richtung, sodass keine zusätzlichen Aufnahmetaschen für Spiralfedern in das Gehäuse der Dichtung eingebaut werden müssen. Das spart Kosten. Besser noch: Sie werden beim axialen Zusammendrücken rein auf Biegung beansprucht. Anders als bei Schraubenfedern finden so keine Torsionsbelastungen der Anlageflächen statt. Durch die niedrige Federrate wird die Lebensdauer der Gleitringdichtung zugleich signifikant erhöht, da der Gleitring über einen großen Verschleißbereich mit nahezu konstanter Vorspannkraft beaufschlagt wird.

Gegenüber Tellerfedern punkten Wellenfedern auch durch die ausgeprägte Auflagefläche und damit durch weniger Verschleiß. Ein weiterer Vorteil ist die Herstellung selbst, denn ein Stapeln und Verschweißen von mehreren Einzelfedern entfällt. Vor allem Schweißstellen, die bei dynamischer Belastung brechen können, sind Schwachstellen von geschweißten Stanzbiegeteilen, die zuvor gegensinnig gestapelt wurden. Zuletzt aber: auch werkstoffseitig bieten Wellenfedern Chancen durch verschiedene Edelstähle und exotische Werkstoffgüten wie Hastelloy C276 oder Elgiloy für einen besseren Korrosionsschutz. ssc