Die Welt der Federn

Spezial Maschinenelemente

Federn – Ohne technische Federn wären Maschinen und Komponenten kaum denkbar. Die Vielfalt ist viel größer als die meisten ahnen. Darum führt Federnspezialist Gutekunst durch den schier endlosen Federnkosmos.

22. August 2017

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. Sie bestehen aus Bandstählen, Stahlblechen oder –drähten, Gummi oder faserverstärkten Kunststoffen. Manchmal wird auch Gas zur Federung verwendet. Die meisten Federarten erhalten ihre Bezeichnung durch ihr Aussehen, darüber hinaus gibt es Federntypen, die ihren Namen ihrer jeweiligen Funktion verdanken.

Neben Form und 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.

Als elastische Bauteile geben technische Federn unter Belastung nach und kehren bei Entlastung in ihre Ausgangform zurück. Sie bewegen Maschinenteile oder öffnen und schließen Schaltkontakte. Im vorgespannten Zustand lassen sie sich als Antriebsenergie oder als Rückstellkraft nutzen. Zudem kommen sie als kraftschlüssige Verbindung zum Einsatz oder zur Lastverteilung bei schwingfähigen Systemen, wo kinetische Energie in potenzielle Energie umgewandelt wird.

Die Blattfeder galt lange Zeit als Überbegriff für Stahlfedern aus Flachmaterial. Heute versteht man darunter meistens Fahrwerksfedern aus Flachmaterial. Gerade Flachfedern lassen sich mithilfe eines Stanz- oder Stanzbiegeautomaten aus Bandstahl 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 Schalter.

Die gekrümmte Flachfeder 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 Biegen, Prägen, Kanten und Tiefziehen vollendet.

Zu den gewundenen Flachfedern zählen Spiralfedern sowie Rollfedern. Die Herstellung der Spiralfedern erfolgt auf Radialbiegemaschinen. Sie sind in Fahrzeugen in Sicherheitsgurten, Fensterhebern oder Schlössern verbaut. Rollfedern kommen beispielsweise in Federzugsystemen zum Einsatz.

Gewundene Flachfedern eignen sich sehr gut als Ausgleichsfedern für kleinere Drehwinkel. Dabei dient die gespeicherte Kraft als Ausgleich oder Rückstellmoment. Die Federkennlinie steigt nahezu geradlinig an. Ein konstanter Windungsabstand sorgt dafür, dass sich die einzelnen Windungen nicht berühren, und er verhindert Reibung.

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

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.

Federklammern werden aus Bandstahl gestanzt und umgeformt oder aus Stahlblech 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.

Wellenfedern sind aus gewundenem Flachdraht gefertigt und erhalten ihre Federwirkung durch die eingearbeitete Welle. Die Einbauhöhe ist halb so groß wie bei herkömmlichen Druckfedern. Trotzdem erzeugen sie die gleiche Kraft. Durch die Anzahl der Windungen, der Wellen sowie der Wellengrößen lässt sich die geforderte Federkonstante bestimmen und herstellen.

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. Je nach Anwendung lassen sich die Schenkel gerade tangential, radial innen oder außen sowie axial oder achsparallel ausleiten. Es ist wichtig, diese Federart immer nur in Windungsrichtung zu belasten. Daher werden sie baugleich links- und rechtsgewunden angeboten.

Noch mehr Federn...

Druckfedern nehmen beim Zusammendrücken Kräfte auf und geben diese beim Entspannen wieder ab. Gefertigt werden sie aus runden, ovalen oder vierkantigen Federstahldrähten, die kalt umgeformt werden. Dies geschieht entweder durch Winden um einen Dorn und bei vollautomatischen Federwindeautomaten mit Hilfe von Drahtführungsstiften. Im Gegensatz zu herkömmlichen Druckfedern mit einer gleichbleibenden Steigung können die Windungsabstände variieren.

Bei der Kegelfeder beziehungsweise konischen Druckfeder wird der Durchmesser der Bauform zu einem Ende hin 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 ist die Blockhöhe wesentlich geringer als bei zylindrischen Druckfedern. Die Federn lassen sich mit linearer und mit progressiver Federkonstante konstruieren. Im Normalfall nimmt die Federkraft bei steigender Belastung zu.

Die Tonnenfeder wird auch als doppelkonische Druckfeder oder Zugfeder bezeichnet. Beide Enden der Feder weisen einen kleineren Windungsdurchmesser auf als die Mitte. Tonnenfedern haben einen geringen Platzbedarf und eine kurze Baulänge. Eine Sonderform der doppelkonischen Druckfeder ist die Miniblockfeder. Sie besitzt einen angepassten Windungsdurchmesser. Sobald sie zusammengedrückt wird, fügt sich der Hauptteil der Windungen berührungslos ineinander. Dieser Federntyp kommt oft in der Achsfederung von Autos zum Einsatz.

Zugfedern oder Schraubenzugfedern werden aus runden oder ovalen Federstahldrähten hergestellt. Diese lassen sich im Kaltumformungsprozess 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.

Sprengringe sichern im Maschinenbau formschlüssige Bauteile wie Räder, Dichtelemente und Lager auf Achsen, Wellen oder innerhalb von Bohrungen gegen eine axiale Verschiebung. Heute bestehen Sprengringe aus Stahldraht mit gleichbleibendem Querschnitt. Sie werden an einem Windeautomaten zu einem Ring gebogen. Der Durchmesser kann wenige Millimeter bis zu einigen Metern betragen. Sprengringe sind für Wellen und Bohrungen erhältlich.

Die Drehstabfeder zählt zu den Torsionsfedern. Zum Einsatz kommen sie in mechanischen Uhren, Drehspulmessinstrumenten sowie als Stabilisator oder Gegenkraft.

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, der Verdrehwinkel vergrößert sich linear mit der Stablänge. mk

Auf einen Blick

• Gutekunst ist auf Entwicklung und Fertigung von Metallfedern sowie Drahtbiegeteilen aus jedem gewünschten Federstahldraht spezialisiert.

•  Lagerprogramm mit 12.603 Federbaugrößen, außerdem jede gewünschte individuelle Metallfeder bis 12 Millimeter Drahtstärke. 

• Mit 320 Mitarbeitern beliefert das 1964 gegrün-dete Familienunternehmen weltweit 100.000 Kunden aus sehr unterschiedlichen Branchen.

Erschienen in Ausgabe: 06/2017