Schenkelfedern, auch Drehfedern genannt, sind mechanische Kraftspeicher, die bei einer Winkel-/Drehbewegung an den Schenkeln ein Drehmoment aufnehmen, das sie beim Entspannen wieder abgeben. Schenkelfedern oder Drehfedern werden aus runden, ovalen oder vierkant Federstahldrähten hergestellt. Schenkelfedern Gutekunst FedernDer 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 Fertigungstoleranzen werden von Gütegrad 1 (kleinste Toleranz) bis Gütegrad 3 (größte Toleranz) nach DIN 2194 festgelegt. Die Berechnung der Schenkelfedern oder Drehfedern erfolgt nach der Norm EN 13906-3. Zur Berechnung von Schenkelfedern oder Drehfedern stellt Gutekunst Federn das Federnberechnungsprogramm WinFSB zur freien Verfügung. Eine Formelsammlung zur Schenkelfedernberechnung kann hier heruntergeladen werden.

Schenkelfedern werden im Regelfall zylindrisch mit gleichbleibender Steigung ohne Windungsabstände hergestellt. Je nach Anwendungsfall können die Schenkel gerade tangential, radial innen oder außen, axial oder achsparallel usw. ausgeleitet werden. Nachfolgend eine Auswahl an möglichen Schenkelformen.

Schenkelfedern Schenkelformen
Beispiele Schenkelformen
Schenkelfedern Schenkelstellungen
Schenkelstellungen

Standardmäßig gibt es die Schenkelfedern in den Schenkelstellungen 0/360 (A), 90 (B), 180(C) und 270° (D). Es kann jedoch über die Windungszahl jede benötigte Schenkelstellung erstellt werden.

Schenkelfedern Krafteinleitungspunkt Hebelarm RH
Krafteinleitungspunkt Hebelarm RH

Die Federleistung bei Schenkelfedern wird als Drehmoment in Nmm angegeben. Um die Federkraft in N zu berechnen, ist der Hebelarm (RH) (Entfernung vom Zentrum Federkörper bis zum Krafteinleitungspunkt am Schenkel) zu bestimmen und mit folgender Formel zu berechnen.

Die höchste erreichbare Federkraft (Fn) ergibt sich dann aus der Teilung von dem maximalen Drehmoment (Mn) durch den Hebelarm (RH): Fn = \frac{Mn}{RH}

Die erreichbare Kraft bei einem vorgegebenen Drehwinkel \left ( \alpha x \right ) wird berechnet mit der Teilung der höchsten Federkraft (Fn) durch den maximalen Drehwinkel \left ( \alpha n \right ) multipliziert mit dem Drehwinkel: Fx = \frac{Fn}{\alpha n} \cdot \alpha x

Schenkelfedern Schenkelabbiegung
Schenkelabbiegung

Bei der Berechnung der Federkraft muss auch die Schenkeldurchbiegung (ß) berücksichtigt werden. Diese Schenkeldurchbiegung wird größer, je länger der Schenkel und je weiter weg der Krafteinleitungspunkt (RH) vom Zentrum des Federkörpers ist.

Zudem sollten Schenkelfedern immer nur in Windungsrichtung belastet werden. Aus diesem Grund werden Schenkelfedern baugleich links- und rechtsgewunden angeboten. Schenkelfedern haben meistens einem zylindrischen Federkörper mit einer linearen Federkennlinie. Anwendungsbeispiele mit einer progressiven Federkennlinie oder konisch zulaufenden Federkörpern sind uns nicht bekannt.

Federsysteme mit Schenkelfedern können in einer Parallelschaltung realisiert werden. Und weil es hervorragend funktioniert, hat man mit der Doppelschenkelfeder sogar einen eigenen Federntyp kreiert, um die Vorteile der Parallelschaltung zu nutzen.

Doppelschenkelfeder
Doppelschenkelfeder

Die Schenkelfedern aus dem Gutekunst Federn Katalogprogramm werden nach dem Winden nicht angelassen, was den Vorteil hat, dass Schenkelabbiegungen und Schenkelkürzungen jederzeit einfach selbst vorgenommen werden können. Ein Anlassen der Schenkelfedern ist grundsätzlich nicht notwendig, wenn die Biegespannung immer nur in Windungsrichtung erfolgt. Schenkelfedern dürfen also immer nur in Windungsrichtung belastet werden! Die Schenkelfedern arbeiten normalerweise über einen Dorn, der die Feder auf Position hält. Da der Federkörper sich aber bei der Drehbewegung verengt, muss bei der Wahl des inneren Windungsdurchmessers (Di) der kleinste und größte mögliche Dorndurchmesser berücksichtigt werden. Die durch die Führung entstehende Reibung beeinflusst das Federungsverhalten, welche sich in Form einer Hystereseschleife abbildet. Dabei wird ein Teil der Federarbeit in Wärme umgewandelt und geht somit verloren.

Zugfestigkeit Spannungs-Dehnungsdiagramm
Spannungs-Dehnungsdiagramm / © Maschinenbau-Wissen.de

Zudem geht ein bestimmter Prozentsatz der Federkraft verloren, wenn die Feder über einen längeren Zeitraum bei höheren Temperaturen belastet wird. Diesen Kraftverlust nennt man Relaxation und er nimmt mit steigender Temperatur und Spannung zu. Übersteigt zudem, bei der Belastung der Schenkelfeder, die Biegespannung den zulässigen Wert der Dehnungsgrenze, tritt eine bleibende Verformung ein, die sich in der unbelasteten Schenkelposition äußert. Um die Schenkelfeder für eine längere Lebensdauer auszulegen, sollte bei der Berechnung der Spannungskorrekturfaktor „q“ und die zulässige Hubspannung „σqh“ berücksichtigt werden. Zudem unterstützen eine durch kugelstrahlen verfestigte Oberfläche und eine reduzierte Belastung von bis zu 70 bis 80 Prozent der zulässigen Biegespannung die Lebensdauer.

Das Drehmoment bzw. die Federsteifigkeit hängen vom Federstahldraht und der Drehmomentrate bzw. Drehmomentkonstante ab. Die Drehmomentrate definiert auch das Verhältnis des Federmoments zum Drehwinkel. Grundsätzlich lässt sich die Dimensionierung des Drehmoments durch folgende Maßnahmen beeinflussen:

Drahtdurchmesser (d) größer > Feder härter
Windungsdurchmesser (De) größer > Feder weicher
Anzahl der Windungen (nt) größer > Feder weicher

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, Kupferlegierungen für gute elektrische Eigenschaften, Nickellegierungen für hohe Wärme- und Korrosionsbeständigkeit, sowie Titanlegierungen für höchste Ansprüche aus der Luftfahrtechnik verwendet. Zudem stehen auch verschiedene Oberflächenbehandlungen zur Verfügung, um die Anforderungen der Feder zu optimieren.

Schenkelfedern werden bei Gutekunst Federn Katalogprogramm in 1600 Standardbaugrößen ab Lager angeboten, oder individuell nach Kundenanforderungen hergestellt.

Weiterführende Links:

Eigenschaften Schenkelfedern und Drehfedern

2 Gedanken zu „Eigenschaften Schenkelfedern und Drehfedern

  • 6. Januar 2017 um 12:12
    Permalink

    Hallo

    Was Kostet die extra Biegung TS09.
    Grundfeder sollte eine T17033-36 sein Windungsanzahl zwischen 3 und 5. Abstand der gebogenen Schenkel ca 10 mm.

    Gruß Eckstein

    Antworten
    • 9. Januar 2017 um 17:22
      Permalink

      Hallo Herr Eckstein,

      es kommt auf die Stückzahl an. Bei kleinen Stückzahlen sind die Kosten leider hoch, da die Schenkelfeder komplett neu mit den gewünschten Abbiegungen für Sie hergestellt wird.

      Unsere Katalog-Schenkelfedern sind jedoch nicht angelassen, da die Biegespannung mit der Windungsrichtung erfolgt. Darum können an den Katalog-Schenkelfedern von Ihnen selbst Schenkelabbiegungen und Schenkelkürzungen problemlos nachträglich durchgeführt werden.

      Grüße Mugrauer

      Antworten

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