11.05.2021 – Kategorie: Komponenten & Systeme

Technische Federn: Was sie heute können sollten

Technische FedernQuelle: Gutekunst

Was bedeutet der Begriff „technische Federn“ genau? Welche Metallfedernarten sind damit gemeint und für welche Kraftzustände und Anwendungen werden sie verwendet? Auf diese Fragen und auf weitere Eigenschaften von technischen Federn wird Gutekunst Federn, Hersteller von technischen Federn aus Runddraht, und Gutekunst Formfedern, Hersteller von technischen Federn aus Flachmaterial, im nachfolgenden Beitrag kurz eingehen.

Unter dem Begriff technische Federn sind alle Metallfedern zusammengefasst, die in technischen Anwendungen eingesetzt werden. Die besondere Eigenschaft von technischen Federn ist ihre reversible Formänderung bei Belastung. Ermöglicht wird dies durch die spezielle Formgebung und den verwendeten Federwerkstoff.

Technische Federn: Die Allrounder

Technische Federn werden in nahezu allen Branchen eingesetzt, beispielsweise im Maschinenbau, in der Elektro- und Medizintechnik, der Lebensmittelbranche, der Luft- und Raumfahrt, und erfüllen dort vielfältige Aufgaben. Technische Federn, wie Formfedern, Flachfedern, Flachformfedern, Kontaktfedern, Druckfedern, Zugfedern und Spiralfedern, werden dabei als Speicherelemente, Messelemente, Schwingungselemente, Ruheelemente und Lagerelemente verwendet.

Technische Federn
Flachfedern, Formfedern und Blattfedern nach Zeichnung, CAD-Daten oder Anwendung von Gutekunst Formfedern.
Bild: Gutekunst

Grundlagen der Federtechnik

Das Arbeitsprinzip von allen technischen Federn gründet sich auf ihrem Vermögen, potenzielle Energie zu speichern und diese kontrolliert in kinetische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Nachfolgend einige Beispiele, für welche Kraftzustände häufig technische Federn eingesetzt werden:

Rückstellkraft

Die Federkraft wird hierbei als Gegenkraft eingesetzt, um die bewegte Masse in die vorherige Ruhelage zurückzuführen. Diese Rückstellkraft ist die häufigste Anwendung von technischen Federn und wird von Formfedern, Flachfedern, Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern in gleichem Maße bereitgestellt.

Haftkraft

In kraftschlüssigen Verbindungen stellen Sicherungs- und Federscheiben Druck- und Haftkräfte bereit, die einer ungewollten Lockerung, zumeist von Schrauben und Muttern, entgegenwirken.

Ausgleichskraft

Bei Form-, Maß- oder Positionsänderungen anderer Bauteile, werden technische Federn oft verwendet, um einen Ausgleich zu schaffen oder die elektrische Verbindung aufrecht zu erhalten. Hierfür eignen sich, je nach Aufgabe, Formfedern, Flachfedern, Kontaktfedern, Druck- oder Schenkelfedern.

Gewichtskraft

Die Feder wird zur gleichmäßigen Lastverteilung zwischen Körpern genutzt. Bestes Beispiel ist die Federkernmatratze, die diese Gewichtskraft mit speziellen konischen Druckfedern bereitstellt.

Technische Federn: Antriebskraft

Durch die Vorspannung einer technischen Feder wird Energie gespeichert, die dann bei Entspannung freigesetzt wird und bewegliche Geräte antreibt. Mit Spiralfedern werden beispielsweise mechanische Uhren angetrieben oder flexible Hundeleinen eingerollt.

Schwingungs- und Dämpfungskraft

Mit der Aufnahme von kinetischer Energie durch eintreffende Kräfte oder Stöße verformt sich die technische Feder. Beim Ausschwingen der Masse wird diese kinetische Energie wieder in potenzielle Energie umgewandelt. So sorgen beispielsweise Blattfedern für eine sichere Ladung vor einwirkenden Kräften und Stößen.

Federentwicklung

Das Ziel bei der Neuentwicklung einer technischen Feder ist es, für die gegebene Anwendung eine Feder zu finden, die unter Berücksichtigung aller Umstände perfekt passt. Funktion, Form und Abmessungen müssen dabei so gewählt werden, dass die technische Feder die geforderte Federarbeit optimal erfüllt. Dabei spielen verschiedene Faktoren in der Federentwicklung eine wichtige Rolle – etwa, welche Aufgabe die technische Feder erfüllen muss, welche Federbewegung gewünscht ist, wie groß der vorhandene Bauraum ist und welche Anschlussbauteile vorliegen. Dazu kommen Eigenschaften und Besonderheiten aus der Gesamtkonstruktion und aus den Einsatzbedingungen. So sind oft Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder eine möglichst wirtschaftliche Fertigung zu berücksichtigen beziehungsweise Grundlage der Federnkonstruktion.

Technische Federn
Unterschiedliche Federkennlinien – lineare Federkennlinie „2“ am häufigsten.
Bild: Gutekunst

Anforderungen an technische Federn

Allgemein gilt es, für technische Federn folgende Anforderungen zur Federentwicklung zusammenzuführen:

  • Aufgabe und Funktion: Wofür wird die technische Feder eingesetzt (Medizintechnik, Lebensmitteltechnik, Elektro-technik etc.) und welche Funktionen – wie Kraftzustand, Kraftentfaltung (Federkennlinie) und eventuelle Zusatzfunktion (elektrisch leitend, unmagnetisch, isolierend, säurebeständig etc.) – werden benötigt?
  • Einbausituation und Einbauraum: Wie erfolgt die Krafteinleitung (Druck-, Zug-, Torsions- oder Biegespannung) und welcher Einbauraum steht hierzu zur Verfügung?
  • Federnart und Federform: Welche Federnart ist für die Aufgabe geeignet und mit welcher Federnform kann dies im vorhandenen Einbauraum realisiert werden?
  • Benötigte Kräfte und Federwege: Welche Federkräfte werden bei bestimmten Federwegen oder -längen benötigt?
  • Einsatztemperatur und Umgebung: Bei welcher Einsatztemperatur und in welcher Umgebung (Luft, Salzwasser, Motoröl etc.) wird die technische Feder eingesetzt?
  • Belastungsart und Lebensdauer: Welche Belastungsart liegt vor (statische konstante Belastung oder dynamische Belastung mit veränderlichen Beanspruchungen und Hubspannungen)? Für welche Gesamtlebensdauer soll die technische Feder angefertigt werden?

Technische Federn vom Spezialisten

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Von Jürgen Mugrauer.

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