Welche Feder passt?

Technik

Federn – Die Auswahl der richtigen Metallfeder für den gewünschten Einsatzzweck ist nicht immer einfach. Darum hat der Federnhersteller Gutekunst die wichtigsten Parameter zur Auswahl der passenden Komponente zusammengestellt.

19. Mai 2016

Auch wenn es beim ersten Anblick gar nicht danach aussieht, sind Federn faszinierende Bauteile. Druckfedern werden dabei mit Abstand am häufigsten eingesetzt. Das liegt nicht nur an der Richtung der Krafteinwirkung, sondern vor allem an den guten Belastungseigenschaften der Druckfeder. Denn Druckfedern können besser mit größeren Kräften und Lastwechseln umgehen. Neben der großen Auswahl an Material für unterschiedliche Anwendungen lässt sich der Einsatzbereich der Druckfeder durch Oberflächenbehandlung erweitern.

Zugfedern sind meist dort zu finden, wo die Krafteinwirkung nicht auf Druck, sondern auf Zug erbracht werden muss. Allerdings birgt deren spezielle Bauform mit beidseitigen Ösen Risiken, die bei der Zugfederauslegung berücksichtigt werden müssen. Es ist auch möglich, dass die Zugfeder bei einem Federbruch ihre Federkraft komplett verliert. Mit der Materialauswahl ist die Einsatzvielfalt der Zugfeder bereits größtenteils ausgeschöpft, da aufgrund der aneinanderliegenden Windungen das Aufbringen einer Oberflächenbehandlung nur mit erhöhtem Aufwand möglich ist.

Gut für Biegungen

Bei Drehbewegungen, sprich einer erhöhten Biegebeanspruchung, sind Schenkelfedern am sinnvollsten. Besondere Bauformen sind bei dieser Federart aber nicht das Unterscheidungskriterium, denn der Federkörper einer Schenkelfeder ist immer zylindrisch mit einer linearen Federkennlinie. Es kommt eher auf die individuelle Schenkelform an, die optimal zur Krafteinleitung der Drehbewegung angeformt wird.

Wie bei der Zugfeder ist es auch bei der Schenkelfeder durch die aneinanderliegenden Windungen ziemlich schwierig, weitere Eigenschaften durch eine nachträgliche Oberflächenbehandlung aufzubringen.

Grundsätzlich werden Metallfedern nach ihrer Kennlinie beurteilt. Die Federkennlinie ist der Charakter der Metallfedern. Diese stellt das Verhältnis der Federkraft zum Federweg dar. Je nach Typ, Bauform, Windungsabstand und Federsystem lassen sich lineare, progressive, degressive oder kombinierte Federkennlinien erzeugen. Bei einer linearen Federkennlinie wird die Kraft gleichmäßig abgegeben, bei einer progressiven verstärkt sich die Kraftentfaltung mit Zunahme der Belastung, und bei der degressiven Ausprägung verringert sich die Kraftentfaltung mit der Belastung. Bei der kombinierten Federkennlinie werden unterschiedliche Kräftezustände entlang der Federkennlinie abgebildet. Diese kombinierte Federkennlinie kann mit Hilfe von Federsystemen erzeugt werden.

Bei der Auslegung von Federn sind verschiedene Anforderungen zu berücksichtigen. Sehr wichtig ist die Belastungsart, aus der sich auch Aussagen zur Lebensdauer ergeben. Von einer statischen oder quasistatischen Belastung spricht man, wenn eine zeitlich konstante oder veränderliche Belastung mit weniger als 10.000 Lastwechseln insgesamt oder eine Hubspannung bis zum einem Zehntel der Dauerhubfestigkeit vorliegt. Bei dynamischen Belastungen liegen die Werte über diesen Parametern. Dabei wird die Metallfeder meist vorgespannt eingebaut und einer periodischen Schwellbelastung mit sinusförmigem Verlauf ausgesetzt, die zufällig erfolgt, wie etwa bei KFZ-Federungen. Dabei kann es auch zu schlagartigen Kräfteveränderungen kommen. Bei dynamischen Belastungen eignen sich vorwiegend Druckfedern und vereinzelt Zugfedern mit eingeschraubten Federenden.

Die Einsatztemperatur beeinflusst entscheidend die Auswahl des passenden Werkstoffs. Aus diesem Grund gibt es bevorzugte Federstähle für Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturanwendungen. Hier muss die Relaxation des Federwerkstoffs bei der Kräfteauslegung berücksichtigt werden. Unter permanenter Spannung und höheren Temperaturen tritt ein Kraftverlust auf, der mit steigender Temperatur und Belastungsdauer zunimmt.

Entscheidend ist auch, in welcher Umgebung die Metallfeder eingesetzt wird. Muss sie korrosionsbeständig sein oder gegen aggressive Säuren bestehen? Wird sie in der Lebensmittelbranche eingesetzt oder muss sie medizinisch rein sein? Solche Fragen beeinflussen die Auswahl des Federstahldrahts und einer möglichen abschließenden Ober-flächenbehandlung.

Im Bereich der benötigten Federkräfte und Federwege werden die Federn meist vorgespannt eingebaut, sie erzeugen also bereits eine bestimmte Vorspannkraft im Ruhezustand. Dazu muss die benötigte Federkraft benannt werden, welche die Feder im gespannten Zustand erreichen soll. Zu diesen beiden Kräften sind noch die jeweiligen Federwege oder Federlängen zu bestimmen. Besonders bei dynamischen Belastungen kommt es auf den Federhub an, der den Federweg zwischen den beiden Polen der Bewegung beschreibt. Je kleiner der Federhub ist, umso besser ist die dynamische Belastbarkeit der Metallfeder.

Toleranzen berücksichtigen

In modernen Maschinen ist der Einbauraum immer knapper bemessen. Darum gilt es, sich vorab über dessen Dimensionen zu informieren, woraus sich Durchmesser und Länge der Metallfeder ergeben. Diese Baumaße sind Voraussetzung für die Auslegung der passenden Federn. Es gilt, die Toleranzwerte der jeweiligen Maße im ruhenden und belasteten Zustand zu berücksichtigen.

In diesem Zusammenhang muss der Anwender je nach Federart die Einbausituation überprüfen. Wird zum Beispiel die Druckfeder durch einen Dorn oder innerhalb einer Hülse geführt, ist die Reibung während der Federarbeit in einer Hystereseschleife darzustellen. Wird die Druckfeder ohne Führung eingebaut, sind auch die unterschiedlichen Knickgrenzen für die verschiedenen Federendlagerungen zu berücksichtigen. Bei Zugfedern ist dagegen wichtig, an welcher Position die Ösen eingehängt werden. So liegt die optimale Krafteinwirkung bei Zugfedern zentrisch an beiden Ösen entlang der Federlängsachse. Sehr häufig werden Ösen auch seitlich ausgelegt, was in die Auslegung einfließt. Bei Schenkelfedern ist es erforderlich, Schenkelform und Windungsrichtung der Einbausituation anzupassen.

Abschließend ist das Toleranzfeld der jeweiligen Federnart zu berücksichtigen. Denn jede Metallfeder wird bei der Produktion innerhalb eines bestimmten Toleranzfeldes optimal für den Einsatzfall gefertigt. Dieses Toleranzfeld wird bei Metallfedern in Gütegrad 1, 2 und 3 ausgewiesen. Normalerweise werden Metallfedern in Gütegrad 2 gefertigt, was vor allem bei kleineren Federabmessungen einem Toleranzfeld von bis zu zehn Prozent entspricht. Bei Gütegrad 1, mit höheren Herstellungskosten, ist das Toleranzfeld am kleinsten und bei Gütegrad 3, mit geringeren Herstellungskosten, am größten. mk z

Auf einen Blick

Gutekunst Federn entwickelt und fertigt Metallfedern und Drahtbiegeteile aus jedem Federstahldraht. Neben dem Lagerprogramm mit über 12.600 Federbaugrößen gibt es individuelle Metallfedern bis 12 Millimeter. Mit 320 Mitarbeitern beliefert das 1964 gegründete Familienunternehmen weltweit rund 100.000 Kunden aus unterschiedlichen Branchen. So zählt Gutekunst heute zu den größeren Federnherstellern in Europa.

Erschienen in Ausgabe: 04/2016