Druckfedern

Druckfedern, bzw. Schraubenfedern sind mechanische Kraftspeicher, die beim Zusammendrücken Kräfte aufnehmen, und die Kräfte beim Entspannen wieder abgeben. Druckfedern werden aus runden, ovalen oder vierkant Federstahldrähten hergestellt. Der Federstahldraht wird dabei mehrheitlich im Kaltumformungsprozess, entweder durch Winden um einen Dorn, oder bei vollautomatischen Federwindeautomaten mit Hilfe von Drahtführungsstiften in jede gewünschte Form gebracht. Die Druckfedern werden in der Regel zylindrisch und mit gleichbleibender Steigung hergestellt. Die Fertigungstoleranzen werden von Gütegrad 1 (kleinste Toleranz) bis Gütegrad 3 (größte Toleranz) nach DIN EN 15800 festgelegt. Die Berechnung der Druckfedern basiert auf der Norm EN 13906-1. Die Federnberechnung erfolgte mit dem Gutekunst Federnberechnungsprogramm WinFSB. Eine Formelsammlung zur Druckfedernberechnung gibt es hier.

Federenden auf Block gewickelt
Federenden auf Block gewickelt

Windungen, Federbauformen und Federsysteme

Neben den klassischen Druckfedern mit gleichbleibender Steigung können die Windungsabstände auch variieren, um die Federkennlinie zu beeinflussen. Auch werden oft Windungen in der Mitte oder an den Federenden auf Block gewickelt, um ein Verhaken beim Handling der Druckfedern zu verhindern. Zusätzlich zur zylindrischen Federbauform, mit einer gleichmäßigen Federkennlinie, werden auch sehr häufig konische, doppelkonische oder Bienenkorbfedern mit einer variablen Federkennlinie und teilweise Vorteilen in der Dauerfestigkeit eingesetzt. Auch kommen regelmäßig unterschiedliche Federsysteme, wie die Reihen-, Parallel- oder Mischschaltungen, zum Einsatz, wenn es um die Verteilung von Kräften oder variablen Federkennlinien geht.

Federenden und Federendlagerungen

Nach dem Winden der Druckfedern erfolgt das Anlassen, um die Eigenspannungen in der Feder abzubauen und die Schubelastizitätsgrenze zu erhöhen. Damit verringert sich der Setzbetrag der Druckfeder. Die jeweiligen Anlasstemperaturen und –zeiten richten sich nach dem Werkstofftyp; die Abkühlung erfolgt an der Luft bei Raumtemperatur. Ab einer Drahtstärke von 0,5 mm werden die Federenden in der Regel angelegt und geschliffen, um eine planparallele Lagerung der Feder sowie eine optimale Krafteinleitung zu gewährleisten. Optimal ist dabei ein Schleifwinkel zwischen 270° und 330°. Federenden bei kleineren Drahtdurchmessern als 0,5 mm werden nur angelegt ausgeführt. Um die geforderten Federeigenschaften, wie Baumaßlichkeit oder Kräfteeigenschaften nach der Herstellung gewährleisten zu können, werden als Fertigungsausgleich bestimmte Federmaße toleriert.

Knickgrenzen nach EN 13906-1
Knickgrenzen nach EN 13906-1

Druckfedern neigen zum Ausknicken je länger und schlanker sie sind. Um die Knickgrenze der jeweiligen Druckfeder zu überprüfen/bestimmen kommt es auf die Federendlagerung an. In der Norm EN 13906-1, Punkt 9.14 sind die verschiedenen Federendlagerungen beschrieben. Bei der Führung durch Dorn oder Hülse kann die Druckfeder nicht ausknicken. Die durch die Führung entstehende Reibung beeinflusst jedoch das Federungsverhalten, welche sich in Form einer Hystereseschleife abbildet. Dabei wird ein Teil der Federarbeit in Wärme umgewandelt und geht somit verloren. Zudem geht ein bestimmter Prozentsatz der Federkraft verloren, wenn die Feder über einen längeren Zeitraum bei höheren Temperaturen zusammengedrückt wird. Diesen Kraftverlust nennt man Relaxation, und er nimmt mit steigender Temperatur und Spannung zu.

Spannungs-Dehnungsdiagramm Federwerkstoffe
Spannungs-Dehnungsdiagramm Federwerkstoffe

Schubspannung und Federkraft

Übersteigt zudem, bei der Belastung der Druckfeder, die Schubspannung den zulässigen Wert der Dehngrenze Rp, tritt eine bleibende Verformung ein, die sich in der Verringerung der ungespannten Länge äußert. Dieser Vorgang wird in der Federntechnik als „Setzen“ bezeichnet, was mit den Begriffen „Kriechen“ und „Relaxation“ aus der Werkstofftechnik gleichzusetzen ist. Um dem Setzverhalten entgegenzuwirken, werden die Druckfedern um den zu erwartenden Setzbetrag länger gewunden und später auf Blocklänge zusammengedrückt. Dieses Vorsetzen ermöglicht eine bessere Werkstoffauslastung und erlaubt im späteren Einsatz eine höhere Belastung.

Die Federkraft/Federsteifigkeit hängt vom Federstahldraht und der Federrate, bzw. Federkonstante ab. Die Federrate definiert auch das Verhältnis von Federkraft zum Federweg. Grundsätzlich lässt sich die Dimensionierung der Federkraft durch folgende Maßnahmen beeinflussen.

  • Drahtdurchmesser (d) größer = Feder härter
  • Windungsdurchmesser (De) größer = Feder weicher
  • Anzahl der federnden Windungen (n) größer = Feder weicher

Federstahldraht

Die Auswahl des Federstahldrahts beeinflusst nicht nur die Federkraft, sondern bietet auch für die verschiedenen Federanwendungen die passenden Werkstoffeigenschaften. So werden neben den normalen unlegierten Federstahldrähten, ebenso rostfreie Federstähle, SiCr-legierte Ventilfederdrähte für Dauerfestigkeitsanwendungen, Kupferlegierungen für gute elektrische Eigenschaften, Nickellegierungen für hohe Wärme- und Korrosionsbeständigkeit, sowie Titanlegierungen für höchste Ansprüche aus der Luftfahrtechnik verwendet.

Weiterführende Links:

Eigenschaften Druckfedern

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