Wikipedia · einfach zusammengefasst · Stand
Feder (Technik)
Durch gleichsinniges Aufeinanderschichten (Parallelschaltung) entsteht eine Feder, die härter als die Einzelfeder ist. Werkstoffe. Bearbeiten. ausgewiesene …
Inhalt6 Abschnitte
Grundprinzip und Bedeutung
Eine technische Feder ist ein Bauteil, das sich unter Belastung stark verformt und bei Entlastung wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Dabei speichert sie Energie als potentielle Energie. Federn dienen zum Beispiel als Antrieb, als Rückstellkraft, als Kraft- oder Drehmomentquelle, als Kraftschlusserzeuger, als elastisches Gelenk oder als Teil eines schwingfähigen Systems. Durch ihre Nachgiebigkeit können sie Lasten besser verteilen und große Stoßkräfte in Geräten, Maschinen, Fahrzeugen und Bauwerken vermindern.
Damit eine Feder gut funktioniert, braucht sie eine hohe elastische Nachgiebigkeit. Diese entsteht entweder durch eine schlanke Form, etwa dünne Bänder oder Drähte aus hochfestem Federstahl, oder durch weiche Werkstoffe wie Gummi oder glasfaserverstärkten Kunststoff. Die Konstruktion muss verhindern, dass bei zu hoher Belastung eine bleibende Verformung oder Zerstörung eintritt.
Federn werden vor allem nach ihrer Form, nach ihrem Werkstoff und nach den inneren Spannungen unterschieden. Wichtige Werkstoffe sind Stahl, Kupfer-Legierungen und Kunststoffe. Die häufigste Feder ist die Schraubenfeder aus gewickeltem Draht. Sie wird überwiegend auf Torsion beansprucht, also durch Verdrehung des Drahtes. Als Druckfeder können ihre Windungen aneinanderliegen, bevor die Belastung zu groß wird.
Wirkprinzipien und Kennwerte
Die elastische Verformung von Federn beruht meist auf Biegung oder Torsion. Bei Biegung entstehen Biegespannungen, bei Torsion Torsionsspannungen. Deshalb sind viele Federn entweder Biegefedern oder Torsionsfedern. Dehnung oder Stauchung durch Zug- oder Druckkraft sowie Scherung durch Querkraft treten zwar ebenfalls auf, sind aber meist weniger wichtig. Biegung selbst setzt sich aus Dehnung auf der äußeren Seite und Stauchung auf der inneren Seite des gebogenen Querschnitts zusammen.
Biege- und Torsionsfedern werden technisch bevorzugt, weil sie bei vergleichsweise großem Verformungsweg oder Verformungswinkel arbeiten können. Der Werkstoff wird dabei aber nicht überall gleich stark ausgenutzt: Bei einer Biegefeder mit rechteckigem Querschnitt ist die Spannung in der Mittellinie gleich Null und steigt zu den Rändern linear an; die Festigkeit wird nur zur Hälfte genutzt. Bei einer Torsionsfeder mit rundem Querschnitt ist die Spannung im Zentrum gleich Null und am Rand maximal; die Festigkeit wird zu 2/3 genutzt. Eine echte Zugfeder würde den Querschnitt gleichmäßig beanspruchen, müsste für nennenswerte Energieaufnahme aber sehr lang sein.
Zur Beschreibung einer Feder nutzt man die Federkonstante oder die Federkennlinie. Sie geben den Zusammenhang zwischen Verformung, also Weg s oder Winkel φ, und Kraft F oder Drehmoment M_t an. Nach dem Hookeschen Gesetz ist die Verformung in guter Näherung proportional zur Belastung; viele Federkennlinien sind daher linear. Es gibt aber auch nichtlineare Kennlinien: Gummifedern haben meist eine progressive Kennlinie, moderne Sportbögen eine degressive Kennlinie, und Fahrzeugfedern sind oft progressiv ausgelegt, damit sie bei hoher Last nicht durchschlagen, bei Normallast aber weich bleiben.
Berechnung und Grundformeln
Für Biegefedern und Torsionsfedern lassen sich Verformungen mit technischen Gleichungen beschreiben. Bei einem biegsamen Stab in x-Richtung, der in der xz-Ebene durch ein Biegemoment M_y(x) beansprucht wird, gilt für die Krümmung w''(x): w''(x) = - M_y(x) / (E · I_y). Dabei ist E der Elastizitätsmodul des Werkstoffs und I_y das Flächenträgheitsmoment bei Biegung um die y-Achse.
Für eine Torsionsfeder gilt beim Verdrehwinkel φ eines Stabs der Länge L unter dem Torsionsmoment M_t: φ = (M_t · L) / (G · I_p). Dabei ist G der Schubmodul und I_p das polare Flächenträgheitsmoment bei Verdrehung um die Stabachse.
Für Schraubenfedern aus rundem Draht ergibt sich daraus die spezielle Gleichung c = F / s = (G · d^4) / (8 · D^3 · i). Hier bedeutet c die Federkonstante, F die belastende Kraft, s den Federweg, G den Schubmodul, d den Drahtdurchmesser, D den mittleren Federdurchmesser und i die Zahl der federnden Windungen. Zwischen Verdrehung und Federweg gilt φ = s / (D/2), das Torsionsmoment ist M_t = F · (D/2), die Drahtlänge L = i · D · π und für den runden Drahtquerschnitt gilt I_p = d^4 · π / 32.
Biegefedern und Blattfedern
Biegefedern werden nach ihrem Querschnitt in Blattfedern mit rechteckigem Querschnitt und Drahtfedern mit rundem Querschnitt unterschieden. Bei Biegefedern sind Blattfedern besonders häufig. Gerade Biegefedern lassen sich mit der Balkentheorie berechnen. Bei gekrümmten Biegefedern muss beachtet werden, dass die Spannungsverteilung im Querschnitt nicht mehr symmetrisch ist: Die Spannung an der konkaven Randfaser ist erhöht und muss durch Korrekturfaktoren berücksichtigt werden. Außerdem kann die Herstellung der Krümmung die zulässige Spannung vermindern, wenn keine Wärmenachbehandlung erfolgt.
Eine wichtige Blattfeder ist die Spiralfeder. Sie besteht aus einem Metallband, das in einer Ebene in Schneckenlinie aufgewickelt ist. Spiralfedern sind Hauptbestandteile von Uhren mit Federantrieb; ihr gleichmäßiger Ablauf wird durch Hemmungen oder reibende Drehzahlregler erreicht. Später wurden sie auch in Grammophonen, Filmkameras, Telefonen mit Wählscheibe und Spielzeugen verwendet. Eine besondere Form ist der Rollfeder-Antrieb, bei dem eine Spiralfeder zwischen zwei Trommeln hin- und herbewegt wird, zum Beispiel zum Aufrollen von Netzkabeln in Staubsaugern.
Blattfedern wurden auch in Fahrzeugen eingesetzt. Bei der Elliptikfeder sind zwei schwach gebogene Blattfedern gegeneinander montiert, oft als Federpakete aus mehreren einzelnen Blättern. Weil das Biegemoment in der Mitte am größten ist, sind die Blätter abgestuft: Die zusätzlich aufgelegten Blätter werden von Stück zu Stück kürzer. Durch Reibung zwischen den Blättern kann auch eine Dämpfung entstehen. Abgewandelte Formen sind Dreiviertelelliptikfeder, Halbelliptikfeder und Viertelelliptikfeder. Eine Parabelfeder erreicht eine ähnliche Wirkung durch eine zur Mitte hin größere und zu den Enden hin abnehmende Stärke. Wellenfedern sind gewellte Ringe aus Flachdraht, die bei Belastung eingeebnet werden und zum Beispiel als Ersatz für Schraubenfedern oder zum axialen Spielausgleich dienen können.
Torsionsfedern, Schraubenfedern und Tellerfedern
Torsionsfedern bestehen meist aus Stäben oder Draht mit rundem Querschnitt. Ein Drehstab ist ein gerader Stab, der durch Verdrehen als Feder wirkt. Beispiele sind das Torsionspendel in mechanischen Uhren, das Torsionsband in Drehspulmessinstrumenten, Stabilisatoren und Drehstabfedern in der Fahrzeugfederung. Damit Drehstabfedern in Fahrzeugen nicht zu lang werden, wurden auch Drehstabbündel verwendet, etwa an der Vorderachse des VW Käfer.
Die Schraubenfeder ist eine besonders wichtige Torsionsfeder. Ihr Draht ist schraubenförmig aufgewickelt. Man unterscheidet Schraubenzugfedern und Schraubendruckfedern, kurz Zug- und Druckfedern. Obwohl sie entlang der Schraubenachse gezogen oder gedrückt werden, wirken im Draht selbst vor allem Torsionsspannungen; Zug-, Druck- und Biegespannungen sind vergleichsweise klein. Schraubenfedern sind meist zylindrisch, können aber auch tonnenförmig, ellipsenförmig, kegelförmig oder als Bogenfeder ausgeführt sein. Kegelfedern können flach zusammengedrückt werden, wenn die Windungen ineinanderliegen. Lange Druckfedern brauchen eine innere oder äußere Führung, damit sie nicht ausknicken. Bei Druckfedern werden Endwindungen oft angelegt und bei stärkeren Federn abgeschliffen, damit eine ebene Auflagefläche entsteht. Bei Zugfedern werden Drahtenden häufig zu Haken oder Ösen geformt.
Tellerfedern haben die Form des Mantels eines flachen Kegelstumpfs. Sie werden zwischen ihren Randkreisen elastisch zusammengedrückt, wobei Normalspannungen, also Druck- und Zugspannungen, entstehen. Bei üblichen Tellerfedern steigt die Federkraft bei Federwegen über 75 % progressiv an, weil sich die Kraftangriffspunkte verschieben. Deshalb wird empfohlen, nur etwa 75 bis 80 % des Federwegs auszunutzen; in DIN 2093 werden Federkräfte aus diesem Grund nur bei 75 % des Federwegs angegeben. Einzelne Tellerfedern sind relativ hart. Durch wechselsinniges Stapeln entsteht eine weichere Feder in Reihenschaltung, durch gleichsinniges Stapeln eine härtere Feder in Parallelschaltung. Normen sind DIN EN 16984 für die Berechnung und DIN EN 16983 für Qualitätsanforderungen und Maße.
Weitere Bauarten und Anwendungen
Weitere metallische Federn sind zum Beispiel Evolutfedern, Ringfedern und Membranfedern. Die Evolutfeder besteht aus einem flachen Band, das schraubenförmig überlappt gewickelt ist; ihre Federkennlinie ist nichtlinear. Sie wurde 1846 von John Baillie erfunden und als Eisenbahn-Puffer-Feder verwendet, später aber durch die Ringfeder ersetzt. Ringfedern sind Standardfedern in Eisenbahn-Puffern. Sie bestehen aus wechselweise angeordneten inneren und äußeren Ringen. Beim Zusammendrücken werden äußere Ringe gedehnt und innere Ringe gestaucht; durch Reibung an kegelförmigen Kontaktflächen wird die Bewegung gedämpft. Membranfedern sind dünne elastische, meist kreisförmige Platten. Im Automobilbau bezeichnet man eine geschlitzte Tellerfeder in der mechanischen Kupplung als Membranfeder.
Nichtmetallische Federn nutzen andere elastische Eigenschaften. Gummifedern bestehen aus Gummi oder Elastomeren und haben im Vergleich zu Metall eine viel kleinere Federhärte beziehungsweise einen kleineren Elastizitätsmodul. Sie dämpfen stärker und werden deshalb oft zur Entkopplung mechanischer Schwingungen und Schallschwingungen eingesetzt, etwa als Silentblöcke oder Silentbuchsen. Gummifedern sind nicht komprimierbar; ein gedrückter Gummiblock wird dicker, und diese Ausdehnung darf am Einbauort nicht behindert werden.
Luftfedern nutzen die Kompressibilität von Luft. Einfache Beispiele sind Luftmatratze und Luftreifen, komplexere Beispiele Fahrzeugfederungen. Vorteile im Fahrzeug sind feinfühliges Ansprechen, eine vorwählbare oder automatisch einstellbare Vorspannung mit Kompressor und eine einstellbare Fahrzeughöhe unabhängig von der Zuladung. Bei großer Vorspannung wird die Federung allerdings härter. Gasdruckfedern sind abgeschlossene, gasgefüllte Federn mit erhöhtem Innendruck, etwa an Kofferraumklappen von Automobilen oder in gefederten Bürostühlen.
Typische Anwendungen aller Federn beruhen auf Energiespeicherung: Antriebsfedern treiben mechanische Uhren an; Rückstellfedern wirken in Federwaagen, Drehspulmesswerken, Drehmomentschlüsseln oder Stoßdämpfern; vorgespannte Federn erzeugen Normalkräfte in Reibungskupplungen oder Türfeststellern; Feder-Masse-Systeme ermöglichen Schwingungen, etwa bei der Unruh einer mechanischen Uhr. Außerdem mildern Federungen Stöße, wenn sie mit Dämpfern kombiniert werden.
