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Sie verbergen sich oft unscheinbar im Inneren, sind jedoch unverzichtbar für die reibungslose Funktion in vielen Anwendungen. Egal ob in Maschinen, Autos, medizinischen Geräten oder Spielzeugen: gut ausgelegte und gefertigte Federn gewährleisten langanhaltende Leistung und tragen somit zum zuverlässigen Betrieb bei.
Technische Federn sind ein unverzichtbarer Bestandteil vieler industrieller Anwendungen und spielen eine wichtige Rolle bei der Kraftübertragung, Dämpfung, Absorption und Sicherung von mechanischen Systemen. Um eine hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Federn sicherzustellen, ist eine präzise und effektive Auslegung erforderlich. Dabei müssen zahlreiche Faktoren wie Materialeigenschaften, Belastungskapazität, Toleranzen, Umgebungseinflüsse und Fertigungstechnologien berücksichtigt werden.
Die Hauptaufgaben von elastischen Federn.
Technische Federn werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt und dienen dazu, mechanische Energie zu speichern und wieder freizugeben. Sie sind in der Lage, Kräfte zu komprimieren oder zu dehnen und dadurch Energie zu speichern, die dann freigesetzt werden kann, um Arbeit zu verrichten. Darüber hinaus können sie auch dazu eingesetzt werden, eine bestimmte Lage oder Stellung einzuhalten, Kräfte und Momente zu messen und zu regeln sowie Kräfte zu verteilen und auszugleichen. Ein weiterer wichtiger Aspekt von technischen Federn ist es eine Vorspannung einzuhalten, um dann eine Funktion ordnungsgemäß auszuführen.
Die optimal passende Feder.
Um sicherzustellen, dass technische Federn gut und langfristig arbeiten, ist es wichtig, bei der Konstruktion die Art der Krafteinleitung zu berücksichtigen, ob es sich um Druck-, Zug-, Torsions- oder Biegespannung handelt. Außerdem benötigen Federn einen gewissen Bauraum, um ihre volle Leistungsfähigkeit zu entfalten. Daher ist es entscheidend, den Einsatzbereich der Federn sorgfältig zu analysieren und sie entsprechend auf die spezifischen Anforderungen abzustimmen.
Bei der Konfiguration ist auch die Wahl des passenden Werkstoffs von Bedeutung, um die vielseitigen Anforderungen wie Elastizität, Lebensdauer, Wirtschaftlichkeit sowie physikalische und chemischen Komponenten bestmöglich zu berücksichtigen.
Für die optimale Auswahl oder Auslegung einer Feder sind Daten mit den entsprechenden Angaben zu Dorn/Hülse, den benötigten Kräften, Vorspannkraft, Arbeitsweg, Einsatztemperatur, Korrosionsbeständigkeit und benötigter Lastspielzahl unerlässlich. In der Planung werden alle relevanten Parameter wie Oberfläche, Lage, Technologie, Dynamik, Durchbiegung mit den dadurch bedingten Spannungsspitzen, Normungen und Entwicklungen berücksichtigt und gezielt günstige Windungszahlen, Abmessungen, Wickelverhältnisse und Werkstoffe gewählt.
Mehr Elastizität durch höhere Festigkeit.
Bei begrenztem Bauraum sind Federn oft die bevorzugte Wahl, um Energie durch elastische Verformung zu speichern (Energie = Kraft x Weg). Die Fähigkeit einer Feder, Kraft aufzunehmen, hängt stark von der Festigkeit des verwendeten Werkstoffes ab. Eine 20 % höhere Festigkeit des Werkstoffs ermöglicht nicht nur eine 20 % höhere Kraftaufnahme, sondern auch 20% mehr Federweg, was zu einer Steigerung der gespeicherten Energie um 44 % führt. Somit ist die Wahl eines Werkstoffs mit höherer Festigkeit ein effektiver Weg, um die Leistungsfähigkeit einer Feder zu erhöhen und eine höhere Energieeffizienz zu erreichen.
Die Federsteifigkeit ändert sich nicht mit der Festigkeit des Werkstoffes. Stattdessen beeinflusst die Festigkeit des Werkstoffs den maximal möglichen Federweg positiv. Die Festigkeit des Werkstoffs hängt von dessen Vergütungsstufe ab. Die Vergütung beschreibt die kombinierte Wärmebehandlung von Metallen, bestehend aus Härten und Anlassen. Sie beeinflusst somit die Elastizität, aber nicht den Elastizitätsmodul, da dieser werkstoffspezifisch festgelegt ist. Ein niedriger Elastizitätsmodul ermöglicht eine größere Durchfederung bis zur vorgegebenen Grenze, was bedeutet, dass über einen größeren Federweg mehr Energie verfügbar ist (siehe Abbildung 2). Dies bedeutet, dass ein Werkstoff mit niedrigerem Elastizitätsmodul einen größeren Federweg bietet, was wiederum mehr Energie speichern kann. Ein Beispiel hierfür ist Titan, das trotz seiner geringeren Festigkeit aufgrund seines niedrigeren Elastizitätsmoduls genauso viel Energie speichern kann wie hochfester Stahl.
Materialanpassung.
Durch spezifische Anforderungen an Federn, wie besonders hohe Einsatztemperaturen oder Eigenschwingungen ist eine Anpassung des Materials erforderlich. Hierbei werden Verfahren wie Wärme- und Oberflächenbehandlung eingesetzt, um die Eigenschaften des Werkstoffs gezielt zu verändern und optimal auf den jeweiligen Einsatzzweck abzustimmen.
Die Wärmebehandlung ist ein wichtiges Verfahren in der Federntechnik. Durch die gezielte Erhitzung und anschließende Abkühlung kann die Festigkeit, Härte und Elastizität des Materials verändert werden. Druck-, Zug- und Schenkelfedern werden in der Regel einer Wärmebehandlung unterzogen, um eine hohe Härte und Dauerschwingfestigkeit zu erreichen.
Eine weitere wichtige Methode zur Oberflächenveredelung von Federn ist das Kugelstrahlen. Dabei wird die Oberfläche verdichtet und verfestigt, Verarbeitungsspuren werden geglättet und die Dauerschwingfestigkeit wird erhöht. Da die Drahtoberfläche bei Federn am stärksten belastet wird, ist das Kugelstrahlen insbesondere bei dynamisch hoch beanspruchten Federn unverzichtbar. Zusätzlich verbessert das Kugelstrahlen bei Edelstahlfedern auch die Korrosionsbeständigkeit. Nahezu alle Federn können kugelgestrahlt werden und mit modernen Strahlanlagen wird ein breites Spektrum abgedeckt, um perfekte Ergebnisse in der Oberflächenveredelung zu erzielen.
Anwendungsspezifische Federbeschichtung.
Federbeschichtungen sind ein wichtiger Bestandteil der Federherstellung und spielen eine entscheidende Rolle bei der Leistung und Haltbarkeit. Beschichtungen können dazu beitragen, die Oberflächenrauheit zu reduzieren, die Reibung zu verringern, Korrosion zu verhindern und die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen. In diesem Zusammenhang gibt es eine Vielzahl von Beschichtungsoptionen, die je nach Einsatz ausgewählt werden können. Die galvanische Verzinkung etwa ist eine kostengünstige Möglichkeit zur Oberflächenbeschichtung von Federn, welche einen effektiven Schutz gegen Witterungseinflüsse bietet. Durch vernickelte Beschichtungen bleiben Oberflächen dauerhaft grau glänzend und beständiger gegen Korrosion. Vergleichsweise etwas teurer sind verchromte Oberflächen, da sie eine hochglänzende und langlebige Oberfläche bieten. Federstahl kann durch das Verchromen verspröden, weshalb diese Beschichtung bei dynamisch hochbelasteten Federn nicht empfehlenswert ist.
Die Auslegung von technischen Federn erfordert sowohl ein tiefes Verständnis für die mechanischen Anforderungen als auch für die Materialwissenschaften. Eine sorgfältige Auswahl der Materialien und eine präzise Fertigung sind der Schlüssel für langlebige und zuverlässige Federn. Vergleichbar mit dem Bau eines Hochhauses – jeder Stein muss perfekt platziert werden, um das Gebäude stabil und sicher zu machen. Deshalb ist es wichtig und unerlässlich den Einsatz der Federn genau zu analysieren und die besten Materialien und Herstellungsmethoden für eine Anwendung zu wählen.
