Arten von Federn

Federn sind wichtige mechanische Komponenten, die Energie speichern und freigeben und so Kraft oder Drehmoment widerstehen. Sie spielen in verschiedenen Anwendungen eine entscheidende Rolle, von Fahrzeugaufhängungssystemen bis hin zu Konsumgütern. Dieser Artikel untersucht die verschiedenen Federtypen anhand ihrer Lastanwendung, Kraft-Weg-Eigenschaften und Herstellungsmethoden.

Klassifizierung nach der Art der Belastung

Druckfedern

Druckfedern gehören zu den häufigsten Federtypen. Sie sind so konstruiert, dass sie axial wirkenden Druckkräften standhalten. Sie speichern mechanische Energie, wenn sie komprimiert werden, und geben sie frei, wenn die Last entfernt wird. Diese Federn haben ein breites Anwendungsspektrum, darunter Fahrzeugaufhängungssysteme, Industriemaschinen und Konsumgüter wie Stifte und Mausefallen.

Druckfedern bestehen normalerweise aus rundem Draht, der spiralförmig aufgewickelt ist und über die gesamte Länge einen konstanten Durchmesser aufweist. Die Materialauswahl hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen ab, wie z. B. Tragfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit. Zu den üblichen Materialien gehören Federstahl, Edelstahl und Phosphorbronze.

Zugfedern

Zugfedern, auch Spannfedern genannt, sind so konstruiert, dass sie axial wirkenden Zugkräften standhalten. Sie speichern mechanische Energie, wenn sie gedehnt werden, und geben sie frei, wenn die Last entfernt wird. Zugfedern werden häufig in Garagentorsystemen, landwirtschaftlichen Geräten und Trainingsgeräten verwendet.

Zugfedern werden hergestellt, indem ein Draht spiralförmig aufgewickelt wird, wobei an jedem Ende Haken oder Ösen zur Befestigung angebracht werden. Die Anfangsspannung der Feder wird durch den Herstellungsprozess bestimmt, bei dem die Feder vor der Wärmebehandlung auf eine bestimmte Länge gedehnt wird.

Torsionsfedern

Torsionsfedern sind so konstruiert, dass sie Drehkräften oder Drehmomenten standhalten, die um ihre Achse wirken. Sie speichern mechanische Energie, wenn sie verdreht werden, und geben sie frei, wenn das Drehmoment entfernt wird. Torsionsfedern werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Türscharniere, Autositzlehnenversteller und Rollos für Fensterrollläden.

Torsionsfedern werden normalerweise hergestellt, indem ein rechteckiger oder quadratischer Draht spiralförmig aufgewickelt wird, wobei die Enden zur Befestigung in spezielle Formen gebracht werden. Die Materialauswahl hängt von der erforderlichen Federrate, der Lebensdauer und den Umgebungsbedingungen ab. Zu den üblichen Materialien gehören Federstahl und Edelstahl.

Klassifizierung basierend auf Kraft und Verschiebung

Lineare Federn

Lineare Federn weisen eine konstante Federrate auf, was bedeutet, dass die zum Zusammendrücken oder Ausdehnen der Feder erforderliche Kraft direkt proportional zur Verschiebung ist.

Diese lineare Beziehung wird durch das Hookesche Gesetz beschrieben: F = kx,

Wo:

F ist die Kraft,

k ist die Federkonstante,

x ist die Verschiebung.

Linearfedern werden in Anwendungen eingesetzt, in denen ein konstantes Kraft-Weg-Verhältnis erforderlich ist, wie z. B. in Fahrzeugaufhängungssystemen und Industriemaschinen. Sie bestehen normalerweise aus rundem Draht, der spiralförmig aufgewickelt ist und über die gesamte Länge einen konstanten Durchmesser aufweist.

Federn mit variabler Federrate

Federn mit variabler Federrate, auch nichtlineare Federn genannt, weisen beim Zusammendrücken oder Ausdehnen eine sich ändernde Federrate auf. Dies bedeutet, dass sich die zum Zusammendrücken oder Ausdehnen der Feder erforderliche Kraft nichtlinear mit der Verschiebung ändert. Federn mit variabler Federrate werden in Anwendungen eingesetzt, in denen ein bestimmtes Kraft-Verschiebungsprofil erforderlich ist, wie z. B. in Ventilfedern für Kraftfahrzeuge und Federungssystemen für Geländefahrzeuge.

Federn mit variabler Federrate können durch Variation des Windungsdurchmessers, der Steigung oder des Drahtdurchmessers entlang der Länge der Feder konstruiert werden. Kegelförmige Federn und tonnenförmige Federn sind Beispiele für Federn mit variabler Federrate, bei denen sich der Windungsdurchmesser entlang der Länge der Feder ändert.

Konstantkraftfedern

Federn mit konstanter Kraft sind so konzipiert, dass sie über einen bestimmten Bewegungsbereich eine konstante Kraftabgabe bieten. Sie bestehen aus einem vorgespannten Materialstreifen, normalerweise Edelstahl, der spiralförmig aufgewickelt ist. Beim Ausdehnen der Feder wickelt sich das Material von der Wicklung ab und hält so über den gesamten Bewegungsbereich eine konstante Kraft aufrecht.

Federn mit konstanter Kraft werden in Anwendungen eingesetzt, in denen eine konstante Kraft erforderlich ist, wie z. B. in Ausgleichsmechanismen, Türschließern und Spannvorrichtungen. Sie bieten Vorteile wie kompakte Größe, lange Lebensdauer und konstante Leistung über ihren Bewegungsbereich.

Klassifizierung nach Herstellungsverfahren

Schraubenfedern

Schraubenfedern sind die am häufigsten vorkommende Federart. Sie werden hergestellt, indem ein Draht spiralförmig gewickelt wird. Sie können je nach Anwendungsanforderungen als Druck-, Zug- oder Torsionsfedern ausgelegt werden. Schraubenfedern werden mit verschiedenen Methoden hergestellt, darunter Heißwickeln, Kaltwickeln und CNC-Wickeln.

Die Wahl der Fertigungsmethode hängt von Faktoren wie Federmaterial, Drahtdurchmesser und Produktionsvolumen ab. Heißwickeln wird typischerweise für größere Drahtdurchmesser und hochfeste Materialien verwendet, während Kaltwickeln für kleinere Drahtdurchmesser und Materialien mit geringerer Festigkeit verwendet wird. CNC-Wickeln bietet hohe Präzision und Flexibilität und ermöglicht die Herstellung komplexer Federgeometrien.

Flachfedern

Flachfedern bestehen aus flachen Materialstreifen, normalerweise Federstahl oder Edelstahl, die in verschiedene Formen gebracht werden, beispielsweise als Blattfedern, Tellerfedern und Wellenfedern. Sie sind so konzipiert, dass sie je nach spezifischer Konfiguration Biege- oder Druckkräften standhalten.

Blattfedern werden häufig in Federungssystemen von Kraftfahrzeugen verwendet, insbesondere bei Schwerlastfahrzeugen, um das Gewicht des Fahrzeugs zu tragen und Stoßdämpfung zu bieten. Sie bestehen aus mehreren Lagen gebogenen Federstahls, den sogenannten Blättern, die übereinander gestapelt und an den Enden mit Federbügeln verbunden sind.

Belleville-Unterlegscheiben, auch Tellerfedern genannt, sind konisch geformte Unterlegscheiben, die axialen Belastungen standhalten. Sie können in Reihe oder parallel gestapelt werden, um die gewünschten Last-Durchbiegungs-Eigenschaften zu erreichen, wodurch sie für Anwendungen mit begrenztem Platz und hohen Lastanforderungen geeignet sind.

Wellenfedern werden hergestellt, indem ein flacher Draht in eine wellenförmige Form gebracht wird. Sie bieten Widerstand gegen axiale Belastungen und nehmen dabei nur minimalen Platz ein. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Belastungen und kleine Auslenkungen erforderlich sind, wie etwa in der Luft- und Raumfahrt und bei Industrieanlagen.

Tellerfedern

Tellerfedern, auch Belleville-Federn genannt, sind konisch geformte Unterlegscheiben, die axialen Belastungen Widerstand bieten. Sie werden durch Stanzen oder Schmieden einer flachen, runden Scheibe mit einem bestimmten Kegelwinkel sowie Innen- und Außendurchmesser hergestellt. Tellerfedern können in Reihe oder parallel gestapelt werden, um die gewünschten Last-Durchbiegungs-Eigenschaften zu erreichen.

Tellerfedern bieten gegenüber herkömmlichen Schraubenfedern mehrere Vorteile, darunter hohe Belastbarkeit, geringe Auslenkung und kompakte Größe. Sie werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Schwermaschinen, Automobilkupplungen und Ventilen, bei denen hohe Belastungen und begrenzter Platz kritische Faktoren sind.

Bearbeitete Federn

Bearbeitete Federn sind kundenspezifische Federn, die mit CNC-Bearbeitungsverfahren wie Fräsen, Drehen und Schleifen hergestellt werden. Sie werden normalerweise aus massiven Stangen oder Rohren aus Material wie Federstahl, Edelstahl oder Titan hergestellt und können so konstruiert werden, dass sie spezifische Last-Durchbiegungsanforderungen erfüllen.

Bearbeitete Federn bieten gegenüber herkömmlichen Federherstellungsverfahren mehrere Vorteile, darunter hohe Präzision, komplexe Geometrien und die Möglichkeit, Merkmale wie Befestigungslöcher und Gewinde zu integrieren. Sie werden in Spezialanwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, in medizinischen Geräten und in Hochleistungsindustrieanlagen.

Geformte Federn

Geformte Federn werden hergestellt, indem ein Polymermaterial wie Polyurethan oder Nylon in eine Form gespritzt wird, die die gewünschte Federgeometrie hat. Sie bieten im Vergleich zu Metallfedern einzigartige Eigenschaften wie hohe Korrosionsbeständigkeit, geringes Gewicht und die Fähigkeit, Vibrationen zu dämpfen.

Geformte Federn werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Aufhängungsbuchsen für Kraftfahrzeuge, industriellen Schwingungsisolatoren und medizinischen Geräten. Die Wahl des Polymermaterials hängt von Faktoren wie Belastbarkeit, Temperaturbeständigkeit und chemischer Verträglichkeit mit der Betriebsumgebung ab.

Gasfedern

Gasfedern sind Federn, die Druckgas, normalerweise Stickstoff, verwenden, um Druckkräften Widerstand zu leisten. Sie bestehen aus einem abgedichteten Zylinder, der einen Kolben und Druckgas enthält, das beim Zusammendrücken der Feder eine Kraft auf den Kolben ausübt.

Gasfedern bieten gegenüber mechanischen Federn mehrere Vorteile, darunter einstellbare Kraftabgabe, kompakte Größe und die Fähigkeit zur Dämpfung. Sie werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Motorhauben- und Kofferraumliftstützen, Höhenverstellmechanismen für Bürostühle und Industriemaschinen.

Luftfedern

Luftfedern, auch pneumatische Federn genannt, verwenden Druckluft, um Druckkräften Widerstand zu leisten. Sie bestehen aus einem flexiblen Balg oder einer Membran, die mit Druckluft gefüllt ist und sich beim Be- und Entladen der Feder ausdehnt und zusammenzieht.

Luftfedern bieten gegenüber mechanischen Federn mehrere Vorteile, darunter einstellbare Steifigkeit, Lastausgleichsfunktionen und Schwingungsisolierung. Sie werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Luftfederungssystemen für Kraftfahrzeuge, industriellen Schwingungsisolierungshalterungen und landwirtschaftlichen Geräten.

Blattfedern

Blattfedern sind eine Art Flachfeder, die häufig in Fahrzeugfederungssystemen, insbesondere in Schwerlastfahrzeugen, verwendet wird. Sie bestehen aus mehreren Lagen gebogenen Federstahls, den sogenannten Blättern, die übereinander gestapelt und an den Enden mit Federbügeln verbunden sind.

Blattfedern sind dafür ausgelegt, das Gewicht des Fahrzeugs zu tragen und Stoßdämpfung zu bieten, was zu besserem Fahrkomfort und besserer Handhabung beiträgt. Sie können je nach den spezifischen Anwendungsanforderungen auf verschiedene Arten konfiguriert werden, z. B. als halbelliptische, viertelelliptische oder freitragende Feder.

Die Wahl des Blattfederdesigns hängt von Faktoren wie Tragfähigkeit, Fahrzeuggewichtsverteilung und verfügbarem Platz ab. Blattfedern sind für ihre Haltbarkeit, Tragfähigkeit und Fähigkeit, seitliche Stabilität zu bieten, bekannt, wodurch sie für Schwerlastanwendungen wie Nutzfahrzeuge und Geländefahrzeuge geeignet sind.

Schraubenfedern

Schraubenfedern sind eine Art Spiralfeder, die durch Aufwickeln eines Drahtes in eine Schraubenform mit konstantem oder variablem Durchmesser hergestellt wird. Sie können je nach Anwendungsanforderungen als Druck-, Zug- oder Torsionsfedern ausgelegt sein.

Grundlegende Federprinzipien

Federn sind mechanische Geräte, die Energie auf Grundlage der Elastizitätsprinzipien und des Hookeschen Gesetzes speichern und freigeben. Wenn eine Feder einer Kraft ausgesetzt wird, verformt sie sich und speichert potentielle Energie in Form von Dehnungsenergie. Wenn die Kraft entfernt wird, nimmt die Feder ihre ursprüngliche Form wieder an und gibt die gespeicherte Energie frei.

Die Beziehung zwischen der angewandten Kraft und der resultierenden Verformung wird durch das Hookesche Gesetz F = kx beschrieben, wobei F die Kraft, k die Federkonstante und x die Verformung ist. Die Federkonstante, auch Federrate genannt, bestimmt die Steifigkeit der Feder und hängt von Faktoren wie den Materialeigenschaften, dem Querschnitt und der Länge der Feder ab.

Federn sind so konstruiert, dass sie innerhalb ihrer Elastizitätsgrenze funktionieren, d. h. die Verformung ist direkt proportional zur angewandten Kraft. Überschreitet die Kraft die Elastizitätsgrenze, kann es zu einer dauerhaften Verformung oder einem Ausfall der Feder kommen, was ihre Leistung und Sicherheit beeinträchtigt.

Die Energiespeicherkapazität einer Feder wird durch ihre Geometrie, Materialeigenschaften und die aufgebrachte Last bestimmt. Die maximale Energiespeicherung erfolgt, wenn die Feder komprimiert oder bis zu ihrer festen Höhe bzw. maximalen Ausdehnung gedehnt wird.