Druckfedern im Weltall

Maschinenelemente

Federn – In speziellen Akkumulatoren versehen Druckfedern von Gutekunst ihren Einsatz auf der Raumstation ISS und sorgen dort für einen optimalen Druck des Kühlwassers.

18. August 2015

Mit einer Geschwindigkeit von annähernd 28.000 Kilometern pro Stunde umkreist die internationale Raumstation ISS den Erdorbit. Mit dabei sind Druckfedern von Gutekunst, die damit derzeit wohl wahrscheinlich die schnellsten ihrer Art sein dürften.

Der Anbieter liefert diese Druckfedern mit speziellen thermischen und kraftspezifischen Eigenschaften an das Unternehmen Witzenmann aus Pforzheim, in deren Akkumulatoren sie auf der ISS zum Einsatz kommen. Diese Akkumulatoren sorgen für den optimalen Systemdruck im Kühlwasserkreislauf trotz der auftretenden Temperaturschwankungen. Auch in Trägerraketen kommen die Geräte zum Einsatz.

Dort sorgt der Volumenspeicher für eine Glättung der Druckspitzenwerte des flüssigen Brennstoffes beziehungsweise Oxidators und verhindert so den gefürchteten Pogo-Effekt. Pogo-Schwingungen entstehen durch den Abriss des Massenstroms in den Versorgungsleitungen der Rakete und können unter Umständen sogar zum Totalverlust der Rakete führen. Ähnliche Akkumulatoren werden in Flugzeugen als hydraulische Energiespeicher zur schnellen Betätigung von Ruder und Klappen eingesetzt.

Aufgrund der speziellen Einsatzorte steht bei der Auslegung und Herstellung der eingesetzten Druckfedern vor allem die gleichbleibende lineare Federkonstante bei großen Temperaturschwankungen im Fokus. Die Anforderungen der Projektverantwortlichen von Witzenmann an die Federn waren folglich sehr hoch: konstante Werkstoffeigenschaften bei 156 bis 121 Grad Celsius, minimale Abweichungen für vorgespannte und gespannte Federkräfte, geringe Relaxation trotz Temperaturschwankungen, kein Setzen der Feder – und das über eine garantierte Einsatzdauer von zehn Jahren.

Die Werkstoffauswahl für seine Federn fiel bei Gutekunst schnell auf den Federstahldraht 1.4568 nach DIN EN 10270-3. Dieser verfügt nicht nur über ein großes Temperatur-Einsatzfenster von 200 bis 200 Grad Celsius, sondern hat bei steigender Temperatur und Spannung auch eine sehr geringe Relaxation von unter vier Prozent. Die Federkonstante bleibt also nahezu linear.

Optimale Kraftauslegung

Daraufhin folgte die optimale Auslegung der Druckfeder anhand der Kräfteeigenschaften. Dabei hatten die vorgespannte Kraft F1 und die gespannte Kraft F2 mit den dazugehörigen Federlängen L1 und L2 oberste Priorität, sodass sich die Baumaße der Druckfeder an den geforderten Kräften orientieren.

Gefertigt in Gütegrad 1 mit 100-Prozent-Prüfung wurden die Druckfedern zuerst länger gewunden und dann auf das geforderte Längenmaß gesetzt, damit die Feder im Einsatz keinerlei Setzverhalten zeigt.

Dass die Bauteile bereits seit über zehn Jahren im Einsatz sind, gibt Auskunft über die optimale Auslegung für diesen Einsatzfall. mk

Auf einen Blick

Gutekunst ist auf die Entwicklung und Fertigung von Metallfedern sowie Drahtbiegeteilen aus jedem gewünschten Federstahldraht spezialisiert. Neben 12.603 Federbaugrößen ab Lager gibt es jede gewünschte individuelle Metallfeder bis zwölf Milli-meter Drahtstärke in Kleinmengen und Großserien. Mit 320 Mitarbeitern beliefert das 1964 gegründete Familienunternehmen weltweit rund 100.000 Kunden aus unterschiedlichen Branchen.

Witzenmann aus Pforzheim stellt flexible Leitungs-elemente wie Kompensatoren, Metallbälge, Fahr-zeugteile und Rohrhalterungen her. Als global agierendes Unternehmen verfügt Witzenmann über ein breit aufgestelltes Produktprogramm rund um die Rohrleitung. 2014 erzielten rund 3.700 Mitarbeiter in 24 Unternehmen und 19 Ländern weltweit einen Umsatz von über 520 Millionen Euro.

Erschienen in Ausgabe: 06/2015