Was Konstrukteure über Federn wissen sollten, Teil 1

Dabei gibt es Blattfedern, Flachfedern, Wellenfedern, Drehfedern, Druckkfedern, Zugfedern, Federklammern. und Sprenggringe – um nur einige zu nennen. Das ke-NEXT-Kurzkompendium erklärt, was man unter Federn versteht und was einzelne leisten können.

Federn sind technische Bauteile aus Federstahl, die sich elastisch verformen können. Bei einer Belastung geben sie nach und nehmen dabei Kraft auf. Bei der Entspannung geben sie diese Energie wieder ab und kehren in die ursprüngliche Form zurück. Stahlfedern gibt es in vielfältigen Formen, Materialien und für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Federn bestehen unter anderem aus Federbandstählen, Federstahlblechen oder Federstahldrähten. Zudem können Federn aus Gummi und faserverstärkten Kunststoffen sowie Gasdruckfedern, die zur Federung als Hilfsmittel Gase verwenden, gefertigt sein. Die meisten Federarten erhalten ihre Bezeichnung durch ihr Aussehen. Man spricht von Formfedern, Bandfedern, Flachfedern, Blattfedern, von Federclips oder Federklammern, von Spiralfedern, Tellerfedern, Wellenfedern, Kegelfedern, Tonnenfedern oder Ringfedern. Darüber hinaus gibt es Federntypen, die ihren Namen ihrer jeweiligen Funktion verdanken. Beispiele hierfür sind Druckfedern, Zugfedern, Drehfedern oder Drehstabfedern.

Wodurch unterscheiden sich die Federn voneinander? Neben ihrer Form und dem Material werden Federn über die Federkonstante oder Federkennlinie definiert. Die Federkonstante beschreibt die Kraftzunahme in Bezug zum Federweg oder zum Drehwinkel. Mit der Federkennlinie wird der Verlauf einer Federkonstante dargestellt. Sie gibt das Verhältnis zwischen Federkraft und Verformungsweg wieder. Die elastische Verformung erfolgt auf der Grundlage des Hookeschen Gesetz. Dieses beschreibt die elastische Verformung von Festkörpern, wenn die Verformung proportional zur einwirkenden Belastung ist. Die meisten Federarten besitzen eine lineare Federkennlinie (2) mit einem gleichmäßigen Kraftverlauf, eine progressive Kennlinie (1), die mit zunehmender Verformung an Kraft zunimmt oder eine degressive Kennlinie (3), bei der die Kraft während dieses Vorgangs geringer wird. Hinzu kommen kombinierte Federkennlinien (5), die bei bestimmten Spannungszuständen oder Wegstrecken die Kräfte-eigenschaften ändern, und flache Federkennlinien mit einer geringen Kraftzunahme (4).

Als elastische Bauteile geben technische Federn unter Belastung nach und kehren bei Entlastung in ihre Ausgangform zurück. Auf dieser Funktion beruhen nahezu alle Anwendungen, bei denen technische Federn zum Einsatz kommen. Sie werden unter anderem dazu eingesetzt, Maschinenteile zu bewegen und Schaltkontakte zu schließen oder zu öffnen. Im vorgespannten Zustand lassen sie sich als Antriebsenergie oder als Rückstellkraft in Schaltern und Drehmomentschlüsseln nutzen. Zudem kommen sie als kraftschlüssige Verbindung zum Einsatz – beispielsweise bei Türfeststellern oder Reibungskupplungen, zur Lastverteilungen bei einem Trampolin oder bei schwingfähigen Systemen, bei denen mithilfe von Federsystemen kinetische Energie in potenzielle Energie umgewandelt und abgefangen wird. Eine Auswahl der wichtigsten Federarten aus Stahl:

Blattfedern

Der Begriff Blattfeder galt lange Zeit als Überbegriff für Stahlfedern aus Flachmaterial. Heute versteht man darunter meistens Fahrwerksfedern aus Flachmaterial wie Vollelliptikfedern, Halbelliptikfedern und Parabelfedern. Heute unterscheidet man zwischen gerader, gekrümmter, gewundener oder scheibenförmiger Flachfeder.

Gerade Flachfedern lassen sich mithilfe eines Stanz- oder Stanzbiegeautomaten aus Federbandstahl stanzen und in Form bringen. Bei geringen Stückzahlen oder besonders filigranen Formen können sie gelasert oder geätzt werden. Zum Einsatz kommen gerade Flachfedern häufig in Kontaktsystemen elektrischer Schalteinrichtungen – zum Beispiel in Relais. Auf diese Weise lassen sich Kontaktfedern vorgespannt verbauen. Bei der Herstellung von Kontaktfedern wird häufig Federbronze CuSn6 und Kupferberyllium CuBe2 verwendet.

Generell unterscheidet man zwischen gekrümmten Flachfedern und Formfedern. Die gekrümmte Flachfeder besteht aus Geradenteilen und Kreisbogenteilen. Sie wird in der Regel mit einem Stanzbiegeautomaten aus Federbandstahl gestanzt und gleichzeitig in Form gebracht. Formfedern hingegen werden meistens in der Grundform aus Federstahlblech durch Laserschneiden herausgeschnitten und mit nachfolgender Umformung durch Biegen, Prägen, Kanten und Tiefziehen hergestellt. Die Formenvielfalt und damit das Anwendungsspektrum sind nahezu unbegrenzt. Die Berechnung der Krafteinwirkung auf die Federn ist komplex und lässt sich mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchführen. Manuell müssen dazu im Vorfeld machbare Abmessungen näherungsweise festgelegt werden. Berechnungsmodelle, die allgemeingültig sind, gibt es nicht. Wichtig sind daher Gestaltungsrichtlinien, bei denen insbesondere die Mindestbiegeradien einzuhalten sind.

Zu den gewundenen Flachfedern zählen Spiralfedern mit und ohne hohem Windungszwischenraum sowie Rollfedern. Die Herstellung der Spiralfedern erfolgt auf Radialbiegemaschinen. Sie haben unter anderem in der Automobilindustrie eine hohe Bedeutung und sind dort in Sicherheitsgurten, Fensterhebern oder Schlössern verbaut. Rollfedern kommen beispielsweise in Federzugsystemen zum Einsatz. Gewundene Flachfedern eignen sich als Ausgleichsfedern für kleinere Drehwinkel. Dabei dient die gespeicherte Kraft als Ausgleich oder Rückstellmoment. Die Federkennlinie steigt nahezu geradlinig an. Beide Federtypen werden in einer Ebene nach der archimedischen Spirale gewunden. Ein konstanter Windungsabstand sorgt dafür, dass sich die einzelnen Windungen nicht berühren, und stellt zudem eine reibungsarme Funktion der Federn sicher.

Druckfedern, ebenfalls Schraubenfedern genannt, sind mechanische Kraftspeicher, die beim Zusammendrücken Kräfte aufnehmen und diese beim Entspannen wieder abgeben. Gefertigt werden sie aus runden, ovalen oder vierkantigen Federstahldrähten – in der Regel zylindrisch und mit gleichbleibender Steigung. Der Federstahldraht wird kalt umgeformt. Dies geschieht entweder durch Winden um einen Dorn (Einfingersystem) und bei vollautomatischen Federwindeautomaten mit Hilfe von Drahtführungsstiften (Zweifinger- oder Dreifingersystem). Im Gegensatz zu herkömmlichen Druckfedern mit einer gleichbleibenden Steigung können die Windungsabstände variieren. Das beeinflusst die Federkennlinie.

Federklammern – auch Federclips, Klemmfedern und Rohrklemmen genannt – werden aus Federbandstahl gestanzt und umgeformt oder aus Federstahlblech gelasert und anschließend in Form gebracht. Haupteigenschaft ist die kraftschlüssige Verbindung. Sie kommen dort zum Einsatz, wo Bauteile am richtigen Platz justiert, arretiert, eingerastet oder fixiert werden sollen. Unter anderem dienen sie zum Fixieren von Papieren, Festhalten von Namensschildern oder als Ersatz für Büroklammern. Darüber hinaus eignen sie sich dazu, Werkzeuge, Schläuche und Ähnliches aufzuhängen.

Wellenfedern werden auch als axiale Wellenfedern oder Wellfedern bezeichnet. Sie sind aus gewundenem Flachdraht gefertigt und erhalten ihre Federwirkung durch die eingearbeitete Welle. Mit einer reduzierten Einbauhöhe von bis zu 50 Prozent gegenüber herkömmlichen Druckfedern sind sie bei statischem bis mittlerem dynamischem Einsatz eine platzsparende Alternative. Trotz dieser reduzierten Bauhöhe können Wellenfedern die gleiche Kraft erzeugen wie beispielsweise Druckfedern. Durch die Anzahl der Windungen, der Wellen sowie der Wellengrößen lässt sich die geforderte Federkonstante bestimmen und herstellen. aru