Beanspruchungsarten Druckfedern

Vor der Auslegung der Druckfeder sollte grundsätzlich geklärt werden, ob es sich bei der vorgesehenen Beanspruchungsart um eine statische bzw. quasistatische, oder um eine dynamische Beanspruchung handelt.

Statische bzw. quasistatische Beanspruchung

Zeitlich konstante (ruhende) Belastung, bzw. zeitlich veränderliche Belastung mit weniger als 10 000 Hüben insgesamt oder kleinen Hubspannungen bis 0,1 x Dauerhubfestigkeit (τkh = τk2 -τk1).

Dynamische Beanspruchung

Als dynamische Beanspruchung bei Federn gilt, zeitlich veränderliche Beanspruchungen mit mehr als 10 000 Lastwechseln oder Hubspannungen über 0,1 x Dauerhubfestigkeit (τkh) bei konstanter und veränderlicher Hubspannung. Dabei ist die Feder meist vorgespannt und periodischer Schwellbelastung mit sinusförmigen Verlauf ausgesetzt, die zufällig (stochastisch) erfolgt, wie z.B. bei der KFZ-Federung.

Je nach benötigter Lastspielzahl „N“ ohne Bruch differenziert man:

1. Den Bereich der Dauerfestigkeit mit Lastspielzahlen
N ≥ 10⁷ für kaltgeformte Federn
N ≥ 2 x 10⁶ für warmgeformte Federn
Bei Hubspannung kleiner als Dauerhubfestigkeit.

2. Den Bereich der Zeitfestigkeit mit Lastspielzahlen
N < 10⁷ für kaltgeformte Federn
N < 2 x 10⁶ für warmgeformte Federn
Bei Hubspannung größer als Dauerhubfestigkeit und kleiner als Zeithubfestigkeit.

Die vorhandene Schubspannung wird wie folgt ermittelt.

Schubspannung aus Kraft: \Large \tau=\frac{8DF}{\pi d^{3}}

Schubspannung aus Weg: \Large \tau=\frac{Gds}{\pi nD^{2}}

Formelzeichen Druckfedern [PDF-Dokument]

Für dynamische beanspruchte Druckfedern gilt wegen der entstehenden Spannungserhöhung die korrigierte Schubspannung. Mit dem Spannungskorrekturfaktor k, der vom Wickelverhältnis (Verhältnis von mittlerem Durchmesser zur Drahtstärke) der Feder abhängt, kann die höchste Spannung annähernd ermittelt werden.

Korrigierte Schubspannung:

τk1 = k · τ1 < τko

τk2 = k · τ2 < τko

wobei für k gilt (nach Bergsträsser)

\Large k=\frac{\frac{D}{d}+0,5}{\frac{D}{d}-0,75}

Die zulässige Oberspannung τko wird je Federwerkstofftyp aus dem Dauerfestigkeitsschaubild (Goodman-Diagramm) aus der DIN EN 13906-1 (Bild 12 bis Bild 22) herausgelesen.

Der gewünschte Arbeitshub darf die Dauerhubfestigkeit (τkh) nicht überschreiten:

τkh = τk2 – τk1 < τkhzul

Mit dem Gutekunst Federnberechnungsprogramm WinFSB kann jede berechnete Druckfeder auch für den dynamischen Anwendungsfall berechnet werden. Dazu muss man nur die Option „dauerfest“ und „kugelgestrahlt“ aktivieren . Die dynamischen Werte und das Goodman-Diagramm werden dann unter dem Bereich „Beanspruchung“ angezeigt.

 

 

 

 

 

 

 

 

Wichtig!

Um die Spannungsüberlagerung durch Eigenschwingungen des Federkörpers bei dynamisch beanspruchten Druckfeder zu berücksichtigen, sollte auch die Blockspannung τczul überprüft werden.

Dynamisch beanspruchte Druckfedern sollten vor dem Einsatz kugelgestrahlt werden. Durch das kugelstrahlen werden die Randschichten der Oberfläche verdichtet, so dass eine wesentlich bessere Dauerhubfestigkeit erreicht wird.

Für die Dauerfestigkeit einer Druckfeder eignen sich besonders für mittlere dynamische Anwendungen der normale Federstahldraht EN 10270-1DH und SH, sowie für hohe dynamische Anwendungen die Ventilfederdrähte EN 10270-2-VDC, -VDSiCr, und –VDCrV.

Sobald Korrosion oder Reibung durch Dorn oder Hülse auf die Druckfeder einwirkt ist die Dauerfestigkeit nicht mehr gewährleistet!

 

Weitere Informationen:

• Beanspruchungsarten Zugfedern

• Federnauslegung

• Technische Beratung bei Gutekunst Federn

• Gutekunst Federnberechnung WinFSB