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Was sind Torsionsfedern?
Der Begriff Torsionsfeder leitet sich von dem Verb tordieren ab, was verwinden oder verdrehen bedeutet. Wie der Name also schon beschreibt, sind Torsionsfedern Federtypen, die während ihrem Einsatz eine permanente Drehbewegung durchführen. Sie bestehen aus Drähten, Bändern oder Stäben mit meist rundem Querschnitt, die an den beiden äußeren Seiten an Bauteilen befestigt sind. Diese führen gegeneinander eine Art Schwenkbewegung um die Achse der Feder aus – dies wird auch als Torsionsmoment bezeichnet. Torsionsfedern kommen vor allem bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen ein Drehmoment erzeugt oder Rotationsenergie gesammelt werden soll.
Verschiedene Torsionsfeder-Typen
Torsionsfedern sind vielseitig einsetzbar. Anwendungsgebiete sind unter anderem der Industrie- und Anlagenbau wie auch die Automobilbranche. Darüber hinaus werden Torsionsfedern aber auch beispielsweise in Sektional-Garagentoren verbaut.
Ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten fordern unterschiedliche Ausführungen: Neben geraden Torsionsfedern, die als Stab- oder Drehstabfedern bezeichnet werden, gibt es auch Schraubendruckfedern und Schraubenzugfedern, die eine gewundene Form aufweisen.
Stab- und Drehstabfeder
Die Stab- oder Drehstabfeder hat einen gestreckten, stabförmigen Aufbau. Wird der Stab um seine eigene Längsachse verdreht, entsteht eine Schubspannung. Diese wächst mit dem Querschnittsradius (r) an und ist außerdem proportional zum Torsionsmoment (Mt). Im Stabquerschnitt verhält sich die Schubspannungsverteilung rotationssymmetrisch. Auch der Verdrehwinkel (φ) ist proportional zum Torsionsmoment und vergrößert sich linear mit der Stablänge.
Eingesetzt werden Drehstäbe beispielsweise als Torsionspendel in mechanischen Uhren, als Torsionsband in Drehspulmessinstrumenten sowie als Stabilisator zur Federung von Fahrzeugen.
Schraubendruckfeder und Schraubenzugfeder
Schraubenfedern bestehen aus Federstahldraht, der in Schraubenform gewunden ist. Unterschieden wird bei den Schraubfedern zwischen Schraubendruckfedern oder Schraubenzugfedern. Sie werden ihrer Bezeichnung entsprechend entweder zusammengepresst oder auseinandergezogen und umgangssprachlich als Druckfeder und Zugfeder benannt. Durch ihre verschiedenen Bauformen – zylindrisch, kegel- und tonnenförmig – werden sie vielseitig eingesetzt.
Im Gegensatz zu den geraden Stab- oder Drehstabfedern ist die Spannungsverteilung bei Schraubenfedern im Querschnitt nicht rotationssymmetrisch. Die Spannung der konkaven Randfasern ist erhöht und muss mit Korrekturfaktoren ausgeglichen werden. Wenn bei der Herstellung der Krümmung keine Wärmenachbehandlung erfolgt, wird die zulässige Spannung gemindert.
Die Federrate oder Federkonstante (c) beschreibt die Torsionsbeanspruchung. Sie kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
\Large c=\frac{F}{f}=\frac{G\cdot d^{{4}}}{8\cdot D^{{3}}\cdot i}Dabei gelten die nachstehenden Formelzeichen:
c = Federkonstante
F = belastende Kraft
f = Federweg
d = Drahtdurchmesser
D = mittlerer Windungsdurchmesser
i = Anzahl federnden Windungen
G = Schubmodul
Torsionsmoment einer Schraubenfeder:
Die Federkraft wirkt dabei mittig vertikal auf die Schraubenfeder. Das Torsionsmoment erfolgt über den Hebelarm
.
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