Was Konstrukteure über Federn wissen sollten, Teil 2

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. Im Teil 2 des Federn-Kompendiums geht es um weitere wichtige Federarten aus diesem Werkstoff.

Zu den scheibenförmigen Flachfedern gehören Tellerfedern und Federscheiben. Zum Einsatz kommen sie jeweils als Einzelfeder oder auch in Kombination.

Federscheiben sind Vorrichtungen, die sich bei bestimmten Schraubverbindungen eignen. Tellerfedern zeichnen sich durch ihre hohe Kraft aus und sind zudem besonders kompakt. Dadurch werden sie oftmals in begrenzten Räumen mit hohen Kräften verwendet. Tellerfedern lassen sich im Stanzverfahren mit anschließender Kaltumformung und Kantenrunden fertigen. Eine Besonderheit: Kraft und Federweg können durch das Schichten zu einer Tellerfedernsäule verändert werden. Tellerfedern erzeugen eine degressive Federkennlinie.

Drehfedern oder Schenkelfedern sind gewundene Drahtfedern mit tangential abgehenden Schenkeln. Diese mechanischen Kraftspeicher nehmen bei einer Winkel- und Drehbewegung an den Schenkeln ein Drehmoment auf, das sie beim Entspannen wieder abgeben.

Drehfedern werden aus runden, ovalen oder vierkantigen Federstahldrähten gefertigt – im Normalfall zylindrisch mit gleichbleibender Steigung ohne Windungsabstände. Je nach der Anwendung lassen sich die Schenkel beispielsweise gerade tangential, radial innen oder außen, axial oder achsparallel ausleiten.

Besonders wichtig: Man sollte Drehfedern immer nur in Windungsrichtung belasten. Daher werden sie baugleich links- und rechtsgewunden angeboten.

Bei der Kegelfeder beziehungsweise konischen Druckfeder verändert sich der Durchmesser der Bauform zu einem Ende hin. Das bedeutet, er wird größer oder kleiner. Zum Einsatz kommen Kegelfedern hauptsächlich dann, wenn der Bauraum in axialer Richtung beschränkt ist. Bei konischen Druckfedern können die Windungen ineinander fallen. Damit entspricht die Blockhöhe ungefähr der doppelten Drahtdicke und ist dadurch wesentlich geringer als bei zylindrischen Druckfedern.

Die Federn lassen sich mit linearer und mit progressiver Federkonstante konstruieren. Im Normalfall ist die Federrate oder Federkonstante progressiv. Das heißt, dass die Federkraft bei steigender Belastung zunimmt.

Die Tonnenfeder wird auch als doppelkonische Druckfeder oder Zugfeder bezeichnet. Beide Enden der Feder weisen einen kleineren Windungsdurchmesser auf als die Mitte.

Tonnenfedern haben meist eine lineare und progressive Kennlinie. Zudem überzeugen sie durch einen geringen Platzbedarf und die kurze Baulänge. Eine Sonderform der doppelkonischen Druckfeder ist die Miniblockfeder. Sie besitzt einen angepassten Windungsdurchmesser. Sobald die Miniblockfeder auf eine kurze Länge zusammengedrückt wird, fügt sich der Hauptteil der Windungen ineinander – und das ohne Berührung. Dieser Federntyp kommt oft in der Achsfederung eines Autos zum Einsatz. Je nach Bedarf für eine lineare Federrate mit schwankenden Windungen oder für eine progressive, sich steigernde Federrate, mit gleichbleibenden Windungen.

Zugfedern oder Schraubenzugfedern werden aus runden oder ovalen Federstahldrähten hergestellt. Diese lassen sich im Kaltumformungsprozess – durch Winden um einen Dorn oder mit vollautomatischen Federwindeautomaten mithilfe von mehreren Drahtführungsstiften – in die gewünschte Form bringen.

Hergestellt werden neben zylindrischen Bauformen mit einer linearen Kennlinie ebenfalls kegel- oder tonnenförmige Zugfedern. Mit solchen konisch verjüngten Federenden wird neben einer progressiven Federkennlinie zudem eine höhere Lebensdauer der Federn erreicht.

Je nach Einsatz kann der Anwender verschiedene Ösenformen verwenden. Neben den klassischen Ösenformen, wie der 1/1 deutschen Öse oder Hakenöse, umfasst das Angebot auch widerstandsfähige Federenden. Hierzu zählen eingerollte Gewindebolzen oder einschraubte Gewindestopfen.

Mehr zur korrekten Auslegung von Zugfedern findet sich in folgendem Youtube-Video:

Sprengringe sichern im Maschinenbau formschlüssige Bauteile wie Räder, Dichtelemente und Lager auf Achsen, Wellen oder innerhalb von Bohrungen gegen eine axiale Verschiebung.

Die Bezeichnung Sprengring leitet sich dabei von der früheren Herstellungsmethode ab. Damals wurde er von Rohren abgeschnitten und anschließend aufgetrennt. Heute bestehen Sprengringe aus Federstahldraht mit gleichbleibendem Querschnitt. Sie werden an einem Windeautomaten zu einem Ring gebogen. Der Durchmesser kann wenige Millimeter bis zu einigen Metern betragen. Sprengringe sind in zwei grundsätzlichen Ausführungen erhältlich: für Wellen und für Bohrungen.

Die Drehstabfeder zählt zu den Torsionsfedern. Der Begriff Torsionsfeder leitet sich von dem Verb tordieren ab, was verwinden oder verdrehen bedeutet. Zum Einsatz kommen Drehstäbe beispielsweise als Torsionspendel in mechanischen Uhren, als Torsionsband in Drehspulmessinstrumenten sowie als Stabilisator zur Federung von Fahrzeugen und als Gegenkraft in Sektional-Garagentoren.

Die Drehstabfeder hat einen gestreckten, stabförmigen Aufbau und führt während ihres Einsatzes eine Drehbewegung durch. Wird der Stab um seine eigene Längsachse verdreht, entsteht so eine Schubspannung. Diese Spannung wächst mit dem Querschnittsradius an und ist proportional zum Torsionsmoment. Die Verteilung der Schubspannung verhält sich im Stabquerschnitt rotationssymmetrisch. Der Verdrehwinkel ist ebenfalls proportional zum Torsionsmoment und vergrößert sich linear mit der Stablänge. aru