Was steckt in einer Feder?

Warm- oder kaltumgeformt, aus einer Vielzahl von Werkstoffen und mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern: Konstruktion, Werkstoff und Fertigungsverfahren werden gezielt auf den technischen Einsatzzweck der jeweiligen Feder abgestimmt.

Bei Lesjöfors dreht sich unsere Welt um Druckfedern, Drehfedern und Zugfedern. In ihrer Herstellung gehören wir zu den führenden Experten der Branche.

Mit einem außergewöhnlich großen Drahtspektrum von 0,03 mm bis 80 mm Drahtdurchmesser nutzen wir Warm- und Kaltumformungsverfahren, um hochwertige Federn für zahlreiche Branchen herzustellen.

Doch wie finden Sie heraus, welche Feder für Ihre Anwendung am besten geeignet ist?

Druckfedern

Druckfedern sind die am häufigsten verwendete Federart. Ihre besondere, schraubenförmige Konstruktion ermöglicht es ihnen, Druckkräften entgegenzuwirken. Dabei bieten sie die notwendige Festigkeit und Elastizität, um Bauteile voneinander getrennt zu halten.

Sie können zylindrisch, konisch, sich verjüngend, konvex oder konkav gefertigt werden. Möglich sind eine konstante oder variable Steigung sowie geschliffene oder ungeschliffene Enden.

Es gibt verschiedene Federarten, bei denen die Kraft zunimmt, wenn sich die axiale Länge verringert. Druckfedern, auch Schraubenfedern genannt, sind jedoch die häufigste Federart.

Allen gemeinsam ist, dass ein Draht schraubenförmig gewunden wird. Windungsradius und Steigung können sich je nach Position innerhalb der Feder verändern. Die Belastung wird über die Endwindungen in die Feder eingeleitet. Diese sind normalerweise geschlossen. Das bedeutet, dass der Steigungswinkel an beiden Enden so weit wie möglich reduziert wird. In den meisten Fällen werden die Federenden geschliffen. Dadurch wird die Belastung mittig in die Feder eingeleitet und eine symmetrische Verformung der Windungen erreicht.

Am häufigsten werden lineare, zylindrische Druckfedern mit konstantem Windungsdurchmesser eingesetzt. Abgesehen von den geschlossenen Endwindungen ist auch die Steigung konstant. Eine zylindrische, progressive Druckfeder wird in verschiedenen Bereichen der Feder mit unterschiedlichen Steigungen ausgelegt. Konische Druckfedern werden häufig so konstruiert, dass sie sich bis auf eine Höhe zusammendrücken lassen, die dem Drahtdurchmesser entspricht. Die Kraft-Weg-Kennlinie ist normalerweise progressiv. Die Steigung kann jedoch so variiert werden, dass eine nahezu lineare Kraft-Weg-Kennlinie entsteht. Der Windungsdurchmesser kann außerdem so gestaltet werden, dass eine Tonnen- oder Sanduhrform entsteht. Diese Formen bieten Eigenschaften, die für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein können.

Ineinander geschachtelte Federn sind eine Möglichkeit, den für die Federfunktion erforderlichen Bauraum zu minimieren. Zwei oder drei Druckfedern werden so ausgelegt, dass sie ineinander passen. Dadurch wird auch der ansonsten ungenutzte Raum innerhalb des Innendurchmessers der Feder verwendet. Die Windungsrichtung wechselt zwischen den Federn jeweils zwischen rechts- und linksgewickelt.

Runde Drahtquerschnitte werden am häufigsten verwendet. Der Querschnitt kann jedoch auch quadratisch, rechteckig, elliptisch oder anders geformt sein.

Die axiale Verformung einer Druckfeder erzeugt Torsionsspannungen im Drahtquerschnitt.

Alle Arten schraubenförmiger Druckfedern können theoretisch mit einem semi-analytischen Verfahren berechnet werden, solange die Belastung axial wirkt. Eine detaillierte Analyse anderer Verformungsarten erfordert eine nichtlineare FE-Analyse.

Zugfedern

Zugfedern, auch als Spannfedern bezeichnet, sind schraubenförmig gewundene Federn. Sie halten zwei Bauteile zusammen und ihre Kraft nimmt mit zunehmender Länge zu. Aus Sicht der Spannungsanalyse ähneln sie Druckfedern stark. Die entgegengesetzte Belastungsrichtung erfordert jedoch einige besondere Konstruktionsmerkmale.

Die Enden einer Zugfeder müssen eine Zugkraft übertragen. Die häufigste Lösung besteht darin, den Draht an den Federenden in eine geeignete Form zu biegen. Dabei kann es sich um einen offenen Haken oder eine geschlossene Öse handeln. Das Ende kann so positioniert werden, dass die Kraft entlang der Federachse mittig eingeleitet wird, oder außermittig angeordnet sein. Höhe und Durchmesser der Öse lassen sich innerhalb der fertigungstechnischen Grenzen variieren.

Ein solches integriertes Ende wird bei Zugfedern häufig zum schwächsten Glied, wenn die Feder in einer dynamischen Anwendung mit vielen Lastwechseln eingesetzt wird.

Der Grund dafür sind Spannungskonzentrationen und eine ungünstige Verteilung der Eigenspannungen in der für den Haken erforderlichen Biegung. Bei hochdynamischen Anwendungen muss dies bereits bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Statt die gesamte Feder auf das niedrige Spannungsniveau auszulegen, das für die Haltbarkeit des Hakens erforderlich wäre, werden häufig separate Endstücke verwendet.

Die Windungen werden normalerweise eng aneinander und mit einer Anfangsspannung gewunden. Die Feder beginnt sich erst zu verformen, wenn die äußere Kraft größer ist als die Anfangsspannung. Im Vergleich zu einer Feder ohne Anfangsspannung verringert die Anfangsspannung die erforderliche Einbaulänge. Bei Zugfedern, die nach dem Winden gehärtet und angelassen werden, ist keine Anfangsspannung möglich. Bestimmte Anforderungen können außerdem eine Zugfeder ohne Anfangsspannung und mit Abständen zwischen den Windungen begünstigen.

Drehfedern

Drehfedern sind gewundene Federn, die über eine drehende oder rotierende Bewegung arbeiten. Dadurch kann ein elastisches Bauteil beim Verdrehen mechanische Energie speichern. Sie werden eingesetzt, wenn eine Winkelbewegung von Bauteilen erforderlich ist. Im Allgemeinen sind sie fester und langlebiger als Zugfedern.

Drehfedern werden für Drehbewegungen eingesetzt und erzeugen bei einer Verformung ein Drehmoment. In vielen Anwendungen wird dieses Drehmoment als Kraft genutzt. Diese Kraft entspricht dem Drehmoment geteilt durch den Hebelarm, also dem senkrechten Abstand zwischen der Wirkungslinie der Kraft und dem Mittelpunkt der Feder. Einige Federn, die wie Drehfedern geformt sind, lassen sich theoretisch besser als Drahtbiegeteile behandeln.

Die Belastung wird über Schenkel in den Federkörper eingeleitet. Diese können sehr unterschiedlich geformt sein. Die grundlegenden Schenkelformen sind jedoch tangential, radial oder axial. Tangentiale Schenkel sind die einfachste Ausführung. Dabei folgen die Schenkel der Tangente an dem Punkt, an dem der gewundene Federkörper endet. Radiale Schenkel können nach innen oder nach außen gerichtet sein. Auch jede Richtung zwischen tangentialen und radialen Schenkeln ist möglich. Ebenso können die Schenkel um mehr als 90° gebogen werden. Bei Bedarf können mehrere Biegungen in die Schenkel integriert werden.

Wie bei allen Drehfedern sollte die Belastung idealerweise als Drehmoment und nicht als punktuelle Kraft in die Feder eingeleitet werden. Werden die Schenkel fixiert, verteilen sich Verformung und Spannungen gleichmäßiger im Federwerkstoff. Eine über beide Schenkel eingeleitete Kraft verbessert Funktion und Lebensdauer der Feder im Vergleich zu einer einzelnen Krafteinleitung.

Kaltumgeformte Drehfedern weisen durch das Winden Eigenspannungen auf. Dadurch besitzen sie eine höhere Elastizitätsgrenze, wenn sie in Aufwindungsrichtung statt in Abwindungsrichtung belastet werden. Häufig werden sie auf einem Dorn montiert. Dies ist jedoch nicht erforderlich, wenn die Schenkel ordnungsgemäß fixiert sind. Es muss sichergestellt werden, dass sich der Durchmesser bei einer Belastung in Aufwindungsrichtung verringern kann. Der Dorn darf diese Durchmesseränderung nicht behindern. Andernfalls können sich nur noch die Schenkel der Feder verformen. Die daraus entstehende Überlastung führt zum Ausfall der Feder. Dasselbe geschieht, wenn der axiale Bauraum für die Längenzunahme bei einer Belastung in Aufwindungsrichtung nicht ausreicht.

Der Werkstoff einer schraubenförmigen Drehfeder wird auf Biegung beansprucht. In Computerprogrammen implementierte analytische Verfahren werden verwendet, um die Drehmoment-Winkel-Kennlinie und die auftretenden Spannungen vorherzusagen. Diese Verfahren basieren auf der Annahme, dass die Belastung als Drehmoment eingeleitet wird und die Biegespannung symmetrisch in der Feder verteilt ist. Bei Federn mit wenigen Windungen oder langen Schenkeln tragen die Schenkel einen erheblichen Teil zur Gesamtverformung bei. Dies muss bei den Berechnungen berücksichtigt werden.

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