Zugfedern Gutekunst Federn

Zugfedern bzw. Schraubenzugfedern nehmen beim Auseinanderziehen Kräfte auf, die sie beim Entspannen wieder abgeben. Zugfedern werden aus runden oder ovalen Federstahldrähten hergestellt. Der Federstahldraht wird dabei mehrheitlich im Kaltumformungsprozess, entweder durch Winden mit einem Einfingersystem um einen Dorn, oder bei vollautomatischen Federwindeautomaten mit Hilfe von mehreren Drahtführungsstiften (Zweifinger- oder Dreifingersystem) in jede gewünschte Form gebracht. Dabei werden die Ösen entweder direkt beim Winden ausgeformt oder in einem nachgelagerten Arbeitsgang aufgestellt (Video Federnproduktion bei Gutekunst Federn). Zugfedern werden in der Regel zylindrisch mit je einer 1/1 deutschen Öse an den Seiten hergestellt. Die Fertigungstoleranzen richten sich nach der DIN 2097 von Gütegrad 1 (kleinste Toleranz) bis Gütegrad 3 (größte Toleranz). Die Berechnung der Zugfedern basiert auf der Norm EN 13906-2. Zur Berechnung von Zugfedern stellt Gutekunst Federn sein Federnberechnungsprogramm WinFSB zur Verfügung. Zudem gibt es hier eine Formelsammlung zur Zugfedernberechnung.

Haken eingerollt
Federende verjüngt

Federbauformen und Ösenformen

Neben der zylindrischen Zugfederbauform, mit einer linearen Federkennlinie, werden auch häufig kegel- oder tonnenförmige Zugfedern hergestellt. Dabei wird mit den konisch verjüngten Federenden, neben einer progressiven Federkennlinie, auch eine höhere Lebensdauer erreicht. Ein degressiver Kraftverlauf kann nicht über die Zugfederbauform erzeugt werden, das ist nur mit einem Zugfeder-Hebelmechanismus, wie z. B. bei einem Bettkasten möglich. Je nach Anwendung kommen verschiedene Ösenformen zum Einsatz. So werden, neben den klassischen Ösenformen, wie der 1/1 deutschen Öse oder Hakenöse, auch widerstandfähigere Federenden, wie der eingerollte Gewindebolzen oder einschraubte Gewindestopfen angeboten, die eine höhere Lebensdauer ermöglichen. Mit konischen Federenden kann zudem eine höhere Lebensdauer bei Zugfedern erreicht werden. Grundsätzlich sind Zugfedern aber aufgrund der Ösen nicht dauerfest, da die Ösenanbindung am Übergangsbogen eine große Schwachstelle darstellt. Darum sollte bei Zugfedern auch darauf geachtet werden, dass die Krafteinwirkung zentrisch auf die Öse einwirkt, weil sonst das Risiko eines Ösenbruchs steigt.

Ösenbelastung
Ösenbelastung

Vorspannung

Nach dem Winden und der Ösenanformung der Zugfeder erfolgt das Anlassen, um die Eigenspannungen in der Feder abzubauen und die Schubelastizitätsgrenze zu erhöhen. Bei der Zugfeder entsteht während der Herstellung durch einen Drall gegen die nächste Windung eine Vorspannung. Diese Vorspannung ist größtenteils gewünscht, weil dadurch die erforderliche Betriebslänge der Zugfeder minimiert wird. Jedoch gilt bei der Zugfederherstellung, je höher die Vorspannung, desto höher die Produktionskosten. Wenn bei einer Zugfeder keine Vorspannung gewünscht ist, wie z. B. bei einer Messfeder, kann diese durch eine höhere Anlasstemperatur und Anlasszeit nachträglich fast komplett entfernt werden. Auch warmgeformte Zugfedern enthalten keine Vorspannung. Um die geforderten Federeigenschaften, wie Baumaßlichkeit oder Kräfteeigenschaften nach der Herstellung gewährleisten zu können, wird als Fertigungsausgleich normalerweise die Vorspannung (F0) oder der mittlere Windungsdurchmesser (D) toleriert.

Weg-Kraft-Diagramm / Federkennlinie Zugfeder
Weg-Kraft-Diagramm / Federkennlinie Zugfeder

Relaxation, Schubspannung und Federkräfte

Zudem geht bei Zugfedern, wie bei allen Metallfedern, 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. Da die Relaxation, je nach Werkstoff und Temperatur einen Kraftverlust von bis zu 20 Prozent bedeuten kann, sollte der größte Federweg maximal 80 Prozent der zulässigen Spannung betragen.

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

Übersteigt, bei der Belastung der Zugfeder, die Schubspannung den zulässigen Wert der Dehngrenze Rp, tritt eine dauerhafte verringerte Vorspannung oder Verformung ein. Des Weiteren sollte auf die Resonanzschwingung der Zugfeder geachtet werden; idealerweise sind die Schwingungen der Erregerfrequenz zehnmal kleiner als die Eigenfrequenz der Feder, ansonsten können erhebliche Spannungserhöhungen auftreten.

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

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. Daneben können auch verschiedene Oberflächenbehandlungen aufgebracht werden, um die Anforderungen der Feder zu optimieren. Bei den Zugfedern ist das Aufbringen einer Oberflächenbehandlung jedoch um ein Vielfaches schwieriger, da die Oberfläche in den Zwischenräumen der aneinander liegenden Windungen nur mit großem Aufwand aufgebracht werden kann.

Vorteile Zugfeder

Die Hauptvorteile der Zugfeder sind die Knickfreiheit, die Möglichkeit der zentrischen Kraftübertragung und die Reibungsfreiheit durch den Wegfall von Führungselementen, wie Hülse oder Dorn.

Nachteile Zugfeder

Die Nachteile der Zugfeder liegen in der Größe des Einbauraums, der sensiblen Stelle am Ösenanschluss und dem damit resultierenden Totalverlust der Federkraft nach einem Ösenbruch.

Mitunter werden auch Zugfedersysteme mit mehreren Zugfedern eingesetzt. Häufigstes Anwendungsbeispiel sind Garagentorfederpakete in Parallelschaltung, um Bauteile mit größerer Masse mit konstanten Kräften und Federmomenten in Position zu halten.

Weiterführende Links:

Eigenschaften Zugfedern

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