Metallfedern: Richtige Auslegung für die Anwendung

Metallfedern richtig auslegen und schnell finden. Bild: smarterpix/charlotteLake

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Metallfedern sind in nahezu allen technischen Anwendungen zu finden: im Maschinenbau, in der Elektrotechnik, im Fahrzeugbau, in der Medizintechnik, in Haushaltsgeräten oder in feinmechanischen Baugruppen. Sie speichern Energie, erzeugen Rückstellkräfte, gleichen Toleranzen aus, dämpfen Bewegungen oder stellen Kontakte her. Damit eine Feder dauerhaft zuverlässig arbeitet, muss sie jedoch passend zur Anwendung ausgelegt werden. Entscheidend sind dabei nicht nur Kraft und Federweg, sondern auch Bauraum, Belastungsart, Werkstoff, Federkennlinie und Einbausituation.

Auswahl der richtigen Federnart

Die gängigsten Federnarten aus Runddraht sind Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern. Am häufigsten eingesetzt wird die Druckfeder. Sie nimmt Druckkräfte auf und gibt diese beim Entlasten wieder ab. Zugfedern arbeiten in entgegengesetzter Richtung: Sie nehmen Zugkräfte auf und ziehen Bauteile wieder zurück. Schenkelfedern erzeugen Drehmomente und kommen überall dort zum Einsatz, wo rotatorische Bewegungen oder Rückstellwinkel erforderlich sind.

Der erste Schritt bei der Federauslegung ist die Auswahl der passenden Federnart. Soll eine lineare Bewegung abgefedert, ein Bauteil zurückgedrückt oder eine Kraft in axialer Richtung gespeichert werden, ist meist eine Druckfeder die richtige Wahl. Soll ein Bauteil zurückgezogen oder unter Vorspannung gehalten werden, bietet sich eine Zugfeder an. Wird dagegen ein Drehmoment benötigt, ist die Schenkelfeder die geeignete Federnart.

Zentrales Auswahlkriterium: Federkennlinie

Für Konstrukteure ist die Federkennlinie ein zentrales Auswahlkriterium. Sie beschreibt das Verhältnis zwischen Federkraft und Federweg. Bei einer linearen Kennlinie bleibt die Federrate konstant. Bei einer progressiven Kennlinie wird mit Zunahme der Einfederung die Federrate erhöht. Die Federrate, auch Federkonstante genannt, gibt an, welche Kraft benötigt wird, um die Feder um einen bestimmten Weg zu verformen. Diese wird in Newton pro Millimeter (N/mm) angegeben.

Die zylindrische Druckfeder und Zugfeder ist die klassische und am häufigsten verwendete Bauform. Sie besitzt eine lineare Federkennlinie. Das bedeutet: Die Kraft steigt proportional zum Federweg an. Wird zum Beispiel die Zugfeder um den doppelten Weg gedehnt, verdoppelt sich auch die Federkraft. Diese konstante Kraftabgabe ist für viele technische Anwendungen ideal.
Neben der zylindrischen Druckfeder und Zugfeder gibt es auch konische Bauformen. Diese Bauformen ermöglichen eine progressive Federkennlinie, wobei sich mit Zunahme der Einfederung die Federkraft erhöht. Dadurch lassen sich zu Beginn weiche Kraftverläufe realisieren und bei größerer Belastung steigt dann die Federkraft überlinear (progressive) an. Bei Schenkelfedern gibt es keine progressive Federkennlinie, dabei wird die lineare Momentfederrate in Nmm berechnet.

Federsysteme als Option zu einzelnen Federn

Neben einzelnen Federn können auch Federsysteme eingesetzt werden. Häufig sind Parallel-, Reihen- und Mischschaltungen. Bei einer Parallelschaltung werden mehrere Federn so angeordnet, dass sie gemeinsam belastet werden. Dadurch erhöht sich die Gesamtfederrate, die Federung wird also härter. Bei einer Reihenschaltung werden Federn hintereinander angeordnet. Die Gesamtfederrate sinkt, die Federung wird weicher und größere Federwege werden möglich. Mischschaltungen kombinieren beide Prinzipien und erlauben eine gezielte Anpassung an komplexe Kraft-Weg-Anforderungen.
Solche Lösungen sind besonders interessant, wenn der vorhandene Bauraum begrenzt ist oder falls bestimmte Kraftverläufe gefordert werden, die mit einer einzelnen Standardfeder nicht optimal erreichbar sind.

Die wichtigsten Daten für die Auslegung einer Feder

Damit eine Metallfeder zuverlässig ausgelegt werden kann, sollten die wichtigsten technischen Anforderungen möglichst exakt definiert werden. Dazu gehören zunächst die Abmessungen des Bauraums. Relevant sind bei Druckfedern und Zugfedern insbesondere der maximal zulässige Außendurchmesser [De] und die ungespannte Federlänge [L0]. Bei der Schenkelfeder ist es der Dorndurchmesser [Ddmax], die Höhe des Federkörpers [Lk], die ungespannte Schenkelstellung [alpha] sowie die Schenkellänge [Ls].

Dazu sind die gewünschten Federkräfte mit den dazugehörigen Arbeitswegen oder -längen wichtig. Wie die benötigte Federkraft [F2] nach einem bestimmten Federweg [s2] oder bei einer bestimmten Federlänge [L2]. Dazu gibt es in vielen Anwendungen eine vorgespannte Einbaulänge [L1] mit der dazugehörigen Vorspannkraft [F1]. Diese Werte beschreiben den Arbeitsbereich der Feder „F2 – F1“ und „s2 – s1“. Aus ihnen lässt sich die die Federrate, auch Federkonstante genannt, berechnen. Bei den Schenkelfedern ist die benötigte Federkraft [F2] mit Festlegung des Hebelarms [RH] (Entfernung des Krafteinleitungspunktes vom Zentrum des Federkörpers) oder das Drehmoment [M2] bei einem bestimmten Drehwinkel [alpha2] wichtig.

Daten für die Auslegung von Druck- und Zugfedern:

• Äußerer Windungsdurchmesser [De] mm
• Ungespannte Federlänge [L0] mm
• Federkraft der Feder gespannt [F2] N
• Federweg der Feder gespannt [s2] mm

Optional dazu die Werte für [F1] (Federkraft vorgespannt) und [s1] (Federweg vorgespannt).

Daten für die Auslegung von Schenkelfedern:

• Dorndurchmesser [Ddmax] mm
• Höhe Federkörper [Lk] mm
• Federkraft der Feder gespannt [F2] N mit Hebelarm [RH] mm oder Drehmoment [M2] Nmm
• Drehwinkel der Feder gespannt [alpha2] Grad

Optional dazu die Werte für [F1] oder [M1] (Federkraft oder Drehmoment vorgespannt) und [alpha1] (Drehwinkel vorgespannt).

Eine typische Federauslegung erfolgt somit nach den Baumaßdaten [De] und [L0] mit der gewünschten Federkraft [F2] nach einem definierten Federweg [s2] oder einer definierten Federlänge [L2]. Alternativ kann die Federberechnung auch anhand vorgegebener Baumaße erfolgen, mit Drahtdurchmesser [d], Außendurchmesser [De], ungespannter Federlänge [L0] und Anzahl der federnden Windungen [n]. Diese Vorgehensweise ist sinnvoll für den Fall, dass eine vorhandene Feder ersetzt werden soll oder der Bauraum bereits sehr eng vorgegeben ist.

Zentraler Punkt: Statische oder dynamische Belastung?

Ein weiterer zentraler Punkt ist die Belastungsart. Wird eine Feder nur selten oder mit zeitlich nahezu konstanter Belastung eingesetzt, spricht man von einer statischen Anwendung. Auch zeitlich veränderliche Belastungen mit insgesamt weniger als etwa 10.000 Hüben werden dem statischen Bereich zugeordnet. Anders sieht es bei dynamischer Beanspruchung aus. Hier wird die Feder über einen langen Zeitraum wechselnd belastet, mit mehr als 10.000 Hüben.
Für die Dauerfestigkeitsauslegung ist insbesondere der Federhub [sh] wichtig. Er beschreibt den Arbeitsbereich zwischen der vorgespannten Federlänge [L1] und der belasteten Federlänge [L2]. Je größer der Hub und je höher die Spannungen im Draht, desto stärker wird die Feder beansprucht. Für eine dynamische Belastung kommen hauptsächlich Druckfedern mit kugelgestrahlter Oberfläche zum Einsatz. Bei Zugfedern ist das Risiko eines Ösenbruchs zu groß. Einzig mit eingeschraubten Zugfederenden kann eine Dauerfestigkeitsanwendung unter realen Bedingungen getestet werden.

Werkstoffauswahl – Einsatzumgebung und Eigenschaften

Die Auswahl des passenden Federwerkstoffs hängt von den mechanischen Anforderungen und der Einsatzumgebung ab. Für viele Standardanwendungen kommt der normale Federstahldraht EN 10270-1 zum Einsatz. Er bietet gute mechanische Eigenschaften und ist für zahlreiche technische Anwendungen ausreichend und kostengünstig.
Sofern Korrosionsbeständigkeit gefragt ist, werden häufig Edelstahldrähte wie 1.4310 oder 1.4568 verwendet. Diese Werkstoffe eignen sich beispielsweise für Anwendungen in feuchter Umgebung, in der Medizintechnik, in der Lebensmitteltechnik oder in Bereichen, in denen eine saubere und langlebige Oberfläche gefordert ist.
Für Hochtemperaturanwendungen kommen spezielle Werkstoffe wie Nimonic 90, Inconel X-750 oder Hastelloy C4 in Betracht. Diese Nickelbasiswerkstoffe behalten die mechanischen Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen von 450 bis 550 °C. Für besonders dynamisch beanspruchte Federn kann der Ventilfederstahldraht Oteva 70 VDSiCR die geeignete Wahl sein. Er ist auf hohe Wechselfestigkeit ausgelegt.

Neben dem reinen Federwerkstoff können auch zusätzliche Oberflächenbehandlungen wichtig sein. Organische und anorganische Beschichtungen verbessern, je nach Ausführung den Korrosionsschutz, die Gleiteigenschaften, die elektrische Isolation oder die optische Kennzeichnung.

Auslegung und Auswahl – praktische Vorgehensweise

Im ersten Schritt wird die Funktion definiert: Sollen Druckkräfte, Zugkräfte oder ein Drehmoment erzeugt werden? Danach die Bauraummaße, gewünschte Federkräfte mit den Federwegen oder Federlängen. Abschließend Werkstoff, Umgebungseinflüsse, sowie eine mögliche Führung durch einen Dorn und eventuell eine dynamische Belastungsart.
Bei Standardanforderungen lohnt sich der Blick in das umfangreiche Lagerprogramm von Gutekunst Federn: Es bietet mit 12.603 Federbaugrößen eine große Auswahl an Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern in Federstahl EN 10270-1 und Edelstahl 1.4310 direkt aus dem Lager. Über den federnshop.com, die individuelle Federberechnung WinFSB und den CAD-Daten-Generator lassen sich passende Federn schnell recherchieren, berechnen und konstruktiv einbinden.

Im Falle dass keine Standardfeder optimal passt, kann eine individuelle Metallfeder ausgelegt und gefertigt werden. Gutekunst Federn produziert kundenspezifische Federn bis 12 mm Drahtstärke in Kleinmengen und Großserien. Gerade für Konstrukteure und technische Einkäufer ist dies interessant, falls spezielle Kraftverläufe, besondere Werkstoffe, enge Toleranzen oder definierte Lebensdaueranforderungen gefordert sind.

(Quelle: Gutekunst)