Wellenfedern: Was sie im automobilen Elektromotorenbau leisten

• Wellenfedern kommen in vielen Baugruppen und Komponenten zum Einsatz
• Bei konstruktiven Detailverbesserungen im Elektromotorenbau spielen Wellenfedern eine wichtige Rolle
• Bei der Auslegung gilt es jedoch einige Hürden zu meistern.

Wer die Listen der C-Teile-Lieferanten der Automobil-Industrie durchforstet, der stößt auf die Flachdraht-Wellenfedern des US-amerikanischen Herstellers Smalley. Sie werden hierzulande von Zulieferer TFC angeboten und kommen in vielen Baugruppen und Komponenten zum Einsatz. Welche Dienste leisten Wellenfedern bei der konstruktiven Optimierung automobiler Elektromotoren?

Der E-Mobility-Boom beschleunigt die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet des Elektromotorenbaus. Im Rahmen der Frage, wie sich die Motoren noch kompakter und effizienter gestalten lassen, bestimmt hierbei auch die Suche nach vielen konstruktiven Detailverbesserungen das Geschehen. Ein namhafter Elektromotoren-Hersteller hatte beispielsweise jüngst ein Problem mit der Leistung der von ihm in einer Lagerbaugruppe eingesetzten Wellenfedern. Es handelte sich dabei um gestanzte Federn, die in einer Doppelfunktion sowohl für den mechanischen Toleranzausgleich der Lagerkomponenten als auch für den thermischen Ausgleich der betriebsbedingten Wärmeausdehnung im Lager zuständig waren. Allerdings tauchten dabei immer wieder Schwierigkeiten bei der Auslegung der richtigen Federkonstanten (Federraten) auf: Beim Einbau gestanzter Wellenfedern mit nur einer Windung musste die Federkonstante für die in der oberen Arbeitshöhe bereitzustellende Last sehr hoch ausgelegt werden. Zwangsweise fiel daher die Last in der unteren Arbeitshöhe (Betriebshöhe) übermäßig groß aus. Diese überhöhte Last führte stets zu einem vorzeitigen Ausfall des Lagers – und damit auch des Motors.

Wellenfedern: Gewalzter Flachdraht statt Stanzteil

Mit dieser Problemstellung klopften die Entwicklungsingenieure des Elektromotorenbauers bei den Wellenfeder-Experten von TFC in Bochum an. Denn zu deren Produktsortiment gehören bereits seit vielen Jahren die Wellenfedern der Crest-to-Crest-Serie des US-amerikanischen Herstellers Smalley, der weltweit als Multi-Tier-Zulieferer auftritt. Diese Federn liegen in vielen Größen sowohl in metrischen wie auch Inch-Maßen vor und sind keine Stanzteile, sondern bestehen durchgehend aus gewalztem Flachdraht. Gerade im Automobilbau decken sie aktuell eine enorme Bandbreite an Anwendungen ab und erfreuen sich bei den Konstrukteuren der Branche großer Beliebtheit. Das liegt nicht nur an der hohen Lebensdauer der CTC-Federn, die aus Federstahl, Edelstahl oder Sonderlegierungen bestehen, sondern vor allem an ihren konstruktiven Vorteilen. Da sie nämlich bei gleichem Federweg und gleicher Belastbarkeit bis zu 50 Prozent weniger axialen Bauraum als konventionelle Runddrahtfedern beanspruchen, machen sie den Weg frei für konstruktive Vereinfachungen und die Reduzierung von Bauräumen. Damit bieten sie den Automotive-Konstrukteuren viel Optimierungspotenzial in zwei zukunftsweisenden Disziplinen.

Federkonstante proportional reduziert

Die Entwicklungsingenieure des Elektromotoren-Herstellers fanden bei TFC in Bochum im Crest-to-Crest-Sortiment die passende Wellenfeder-Lösung. „Mit dem Ziel, grundlegend geringere Federkonstanten zu erzielen, empfahlen wir den Einsatz von Flachdraht-Wellenfedern mit mehreren Windungen. Da hierbei die Federkonstante proportional zur Anzahl der verwendeten Windungen reduziert wurde, lies sich die ganze Feder so konstruieren, dass der Unterschied zwischen den Belastungen der oberen und unteren Arbeitshöhe jetzt nur noch minimal ausfällt“, erklärt Johannes Lambertz, der Local Manager von TFC Bochum. Durch die Verwendung der neuen CTC-Wellenfeder wurde der mechanisch-thermische Toleranzausgleich im Lager also insgesamt deutlich „harmonisiert“.

Der Elektromotoren-Hersteller profitiert von dieser Verbesserung in mehrfacher Hinsicht. Da TFC die Crest-to-Crest-Wellenfedern in sehr kleinen Varianten mit bis nur 4,0 mm Durchmesser anbietet, können die Konstrukteure die Motoren erheblich kleiner bauen. „Dabei liefert die Wellenfeder die erforderliche Last bei niedrigster Federrate und sowohl die mechanischen Toleranzen als auch die Wärmedehnungen können innerhalb kleiner Lastunterschiede ausgeglichen werden“, erläutert Johannes Lambertz. Auf diese Weise leisten die eingebauten Wellenfedern von TFC einen spürbaren Beitrag zu einem ruhigen Lauf der Elektromotoren und erhöhen zudem deren Lebensdauer.

Über die hohe Kante gewunden

Die Flachdraht-Wellenfedern von Smalley bzw. TFC werden in einem Verfahren namens No-Tooling-Cost bzw. Circulair-Grain gefertigt. Um einen nahezu idealen Kreis zu erhalten, wird bei dieser speziellen Kantenwindungstechnik ein vorgehärteter, gewalzter Flachdraht über eine hohe Kante gewunden. Da diese Methode bei Smalley kontinuierlich weiterentwickelt wird, lassen sich damit inzwischen auch Federn mit sehr, sehr kleinen Durchmessern fertigen. Als Standardteile mit winzigen Durchmessern von nur 5,0 mm und als Sonderlösung sogar mit nur noch 4,0 mm Durchmesser. Das bringt Vorteile für alle Automotive-Konstrukteure, die besonders kompakte Baugruppen mit Vorspannungs-, Rückstellungs- oder eben Ausgleichsfunktionen realisieren müssen.

Wellenfedern im Automobilbau

Aufgrund ihrer platzsparenden Geometrie, die auch die Realisierung moderner Leichtbau-Konstruktionen unterstützt, kommen die Flachdraht-Wellenfedern der Crest-to-Crest-Serien in vielen Automotive-Komponenten zum Einsatz. Zum Beispiel auch in den Drehgelenken von Pkw-Außenspiegeln. Hier werden kundenspezifisch ausgelegte CTC-Federn direkt in das Design des Spiegels integriert. Mit ihrer Federkraft kontern sie den schwenkbaren Spiegelkopf gegen den feststehenden Stutzen am Fahrzeug. Das sichert den festen Halt des Spiegels, erlaubt aber zugleich dessen manuelles Drehen über den Flansch. Technisch anspruchsvoller ist der Einsatz der CTC-Wellenfedern in Gandini-Kolben oder -Ventilen. Flachdraht-Wellenfedern übernehmen hier über eine voreingestellte Federkraft die Regulation der ausgegebenen Ölmenge. Sie dienen dabei als Ersatz für herkömmliche Druckfedern und bieten einen definierten Widerstand auf kleinem Raum. Die Baugröße des Ventils lässt sich dadurch erheblich reduzieren.Weitere Beispiele für den Einsatz von CTC-Wellenfedern sind Druckventile (Ventilkolben-Einstellung), Steckverbinder (Schnappverbindung), Schalthebel (mechanischer Gegendruck) und schwimmende Konstruktionen (Getriebebau).

Autor: Julius Moselweiß, Freier Fachjournalist, Darmstadt

Bild oben: Wegen ihrer platzsparenden Geometrie, die die Realisierung von Leichtbau-Konstruktionen unterstützt, kommen die Flachdraht-Wellenfedern der Crest-to-Crest-Serien in vielen Automotive-Komponenten zum Einsatz. (Bild: TFC/Smalley)

Weitere Informationen: https://www.tfcdeutschland.com/

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