Federn sind mechanische Vorrichtungen, die durch ihre Elastizität Energie speichern und abgeben. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Industriemaschinen bis hin zu alltäglichen Haushaltsgegenständen. Dieser Leitfaden behandelt die verschiedenen Arten von Federn, ihre Herstellungsmaterialien und ihre Anwendungen.
Federn unterscheiden sich in Material, Form und Funktion, so dass auch ihre Verwendungsmöglichkeiten vielfältig sind. Es gibt drei Haupttypen von Federn, die jeweils in verschiedene Unterkategorien unterteilt werden können.
DruckfedernOffene Schraubenfedern, so genannte Druckfedern, erzeugen beim Zusammendrücken eine Reaktionskraft. Der Abstand zwischen den Windungen wird mit zunehmender Belastung immer kleiner, bis die maximale Länge der Feder erreicht ist, bei der die Windungen aneinander stoßen. Die Enden der Feder können offen oder geschlossen sein; das geschlossene Ende wird gebildet, indem die letzte Windung flach gegen die daneben liegende Windung gedrückt wird. Eine andere Möglichkeit, sie zu einem Quadrat zu formen, besteht darin, die Enden flach zu schleifen.
Anwendungen: Wenn eine Reaktionskraft zwischen Bauteilen erforderlich ist, werden häufig Druckfedern eingesetzt. Typische Anwendungen sind wie folgt:
Die Stoßdämpfung ist ein Merkmal von Fahrzeugaufhängungssystemen, das den Fahrkomfort erhöht.
Kugelschreiber: Druckfedern drücken die Spitze heraus, wenn der Stift losgelassen wird, nachdem sie sich beim Zusammendrücken der Spitze zusammengezogen hat.
Mechanische Geräte: Zur Vorbeugung von Schäden durch Stress und Vibrationen sollten sie gepolstert und stoßgedämpft werden.
ZugfedernZugfedern - auch als Zugfedern bezeichnet - erzeugen beim Dehnen eine Reaktionskraft. Obwohl sie auf Wunsch geändert werden können, haben sie normalerweise Schlaufen- oder Hakenenden. Ihr Einsatz ist in erster Linie auf unkritische Anwendungen beschränkt, da sie über ihre Bruchgrenze hinaus gedehnt werden können.
Anwendungen: Zugfedern werden in einer Vielzahl von Mechanismen und Vorrichtungen verwendet. Typische Anwendungen sind die folgenden:
Zugfedern verleihen Trampolinen ihre Elastizität und Rückstellkraft.
Garagentore: Garagentor-Ausgleichssysteme erleichtern das Heben und Senken von Toren.
Spielzeug: Die Antriebskraft in Uhrwerkspielzeugen wird durch Zugfedern erzeugt.
TorsionsfedernUm Drehmomentbelastungen aufzubringen oder zu widerstehen, verwendet man Schenkelfedern. Die beiden Arten von Federn, zu denen sie gehören, sind schraubenförmige Torsionsfedern und nicht schraubenförmige Torsionsfedern. Schraubendrehfedern üben ihre Kraft radial und nicht axial aus, was sie mit Druck- und Zugfedern vergleichbar macht. Schenkelfedern werden meist in Bewegungssteuerungsvorrichtungen in vielen Arten von Maschinen eingesetzt. Sie bestehen aus flachem oder rechteckigem Material, das zu konzentrischen Spiralen verdreht ist.
Anwendungen: In der Fertigung werden Schenkelfedern häufig als Komponenten zur Bewegungssteuerung eingesetzt.
Türscharniere: Sie verfügen über automatische Schließmechanismen und regulieren die Kraft, die zum Öffnen und Schließen der Türen benötigt wird.
Torsionsfedern sorgen für die Fangkraft in Mausefallen.
Mechanische Geräte: Dazu gehören Bewegungssteuerungseinheiten in Industriemaschinen, Wäscheklammern, Autositzgurte, Uhren und Sitzlehnen.
Federn mit konstanter KraftIn Uhren und Uhrwerkspielzeug werden häufig Federn mit konstanter Kraft verwendet. Dabei handelt es sich um Stahlbänder, die fest verdreht sind; sie ähneln Bandrollen. Das Band dehnt sich aus, wenn eine Last aufgebracht wird, und seine Eigenspannung wirkt kontinuierlich der Kraft der Last entgegen.
Anwendungen: Federn mit konstanter Kraft sind in einer Vielzahl von Situationen nützlich, in denen eine konstante Kraft erforderlich ist. Beispiele für diese Situationen sind die folgenden:
Uhren: Bieten eine konstante Kraft, um eine präzise Zeitmessung zu gewährleisten.
Spielzeug zum Aufziehen: Federn mit konstanter Kraft sorgen für den Antrieb einer kontinuierlichen Bewegung.
Vorhang-Rollos: Um die Vorhänge straff und stabil zu halten, verwenden Sie Federn mit konstanter Spannung.
Oben finden Sie einen Überblick über Druck-, Zug-, Torsions- und Konstantkraftfedern und ihre verschiedenen Einsatzmöglichkeiten. Diese Federn sind für viele alltägliche und industrielle Anwendungen unerlässlich.
Monoblattfedern, auch als Einblattfedern bezeichnet, bestehen aus einer einzigen Metallschicht. Diese Schicht ist in der Regel an jedem Ende verjüngt, um ein gleichmäßigeres Biegeverhalten zu erreichen.
Anwendungen:
Leichte Fahrzeuge: Aufgrund ihrer einfachen Konstruktion und begrenzten Tragfähigkeit werden Monoblattfedern in der Regel in leichten Fahrzeugen wie Kleinwagen und Anhängern eingesetzt.
Motorrädern: In einigen Motorrad-Federungssystemen.
Mehrblattfedern bestehen aus mehreren Metallschichten oder "Blättern", die übereinander gestapelt sind. Die Blätter sind unterschiedlich lang, wobei das längste Blatt, das so genannte Hauptblatt, oben liegt und die kürzeren Blätter darunter. Diese Federn sind robuster und können im Vergleich zu Einblattfedern größeren Belastungen standhalten.
Anwendungen:
Schwerlastkraftwagen: Sie werden wegen ihrer hohen Tragfähigkeit in den Federungssystemen von Lastkraftwagen und Nutzfahrzeugen eingesetzt.
Busse: Wird häufig in den Federungssystemen von Bussen verwendet.
Geländewagen: Wird in Geländewagen verwendet, um die Haltbarkeit und den Halt der Ladung zu verbessern.
Halbelliptische Blattfedern sind eine der häufigsten Arten von Blattfedern. Sie haben eine charakteristische halbelliptische Form, bei der die Blätter in einem gebogenen Bogen angeordnet sind. Diese Konstruktion ermöglicht eine effektive Lastverteilung und verbesserte Fahrqualität.
Anwendungen:
Personenkraftwagen: Wird in den hinteren Federungssystemen vieler Pkw verwendet.
Leichte Nutzfahrzeuge: Üblich in leichten Nutzfahrzeugen zur besseren Handhabung und Lastaufnahme.
Viertel-elliptische Blattfedern sind im Wesentlichen die Hälfte einer halb-elliptischen Blattfeder. Sie sind an einem Ende am Rahmen des Fahrzeugs und am anderen Ende an der Achse befestigt.
Anwendungen:
Oldtimer: Häufig in Oldtimern und Klassikern zu finden.
Kundenspezifische und modifizierte Fahrzeuge: Wird in kundenspezifischen und modifizierten Fahrzeugen für einzigartige Aufhängungseinstellungen verwendet.
Dreiviertelelliptische Blattfedern sind eine Kombination aus halbelliptischen und viertelelliptischen Blattfedern. Sie bieten einen größeren Bewegungsbereich und mehr Flexibilität im Aufhängungssystem.
Anwendungen:Schwere Nutzfahrzeuge und Spezialfahrzeuge: Wird in bestimmten Schwerlast- und Sonderfahrzeugen für verbesserte Federungseigenschaften verwendet.
Querliegende Blattfedern sind nicht in Längsrichtung, sondern horizontal über das Fahrzeugchassis montiert. Diese Anordnung ist weniger verbreitet, bietet aber einzigartige Federungseigenschaften.
Anwendungen:
Sportwagen: Wird in einigen Sportwagen verwendet, z. B. in älteren Modellen der Chevrolet Corvette.
Klassische Fahrzeuge: In bestimmten klassischen Fahrzeugen und Oldtimern zu finden.
Parabelfedern haben Blätter, die sich in einer parabolischen Kurve verjüngen und nicht in einer linearen Kurve. Diese Konstruktion verringert die Reibung zwischen den Blättern und sorgt für ein ruhigeres Fahrverhalten und eine höhere Flexibilität.
Anwendungen:
Moderne Lkw: Wird in modernen Lkw-Aufhängungen zur besseren Lastverteilung und Fahrqualität eingesetzt.
Busse und Nutzfahrzeuge: Einsatz in Bussen und Nutzfahrzeugen für mehr Komfort und Haltbarkeit.
Standard-Tellerfedern sind konische Unterlegscheiben, die sich unter einer Last durchbiegen und eine präzise, hohe Kraft abgeben. Sie werden in der Regel einzeln verwendet, können aber auch in Reihe oder parallel geschaltet werden, um unterschiedliche Last- und Einfederungseigenschaften zu erzielen.
Anwendungen
Industrielle Maschinen: Einsatz in Kupplungen, Bremsen und anderen hochbelasteten Komponenten.
Luft- und Raumfahrt: Wird in Flugzeugbaugruppen zur Schwingungsdämpfung und Lastverteilung eingesetzt.
Automobilindustrie: Verwendung in Federungssystemen, Stoßdämpfern und als Vorspannscheiben.
Gewölbte Tellerfedern haben eine leicht gebogene Form, die im Vergleich zu Standard-Tellerfedern eine geringere Kraft, aber einen größeren Auslenkungsbereich bietet. Sie werden häufig für Anwendungen verwendet, die eine geringere, gleichmäßigere Kraft erfordern.
Anwendungen
Elektrische Kontakte: Dient der Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Kontaktdrucks.
Dichtungen und Dichtungsringe: Zur Aufrechterhaltung der Dichtungsintegrität unter verschiedenen Druckbedingungen.
Leichte Baugruppen: Ideal für Anwendungen, bei denen Platz und Gewicht eine Rolle spielen.
Wellenfedern sind Tellerfedern mit einer wellenförmigen Struktur, die eine ähnliche Kraft wie Standard-Tellerfedern bieten, aber eine geringere Höhe haben. Sie sind ideal für Anwendungen, die einen kompakten Formfaktor erfordern.
Anwendungen
Vorspannung des Lagers: Dient der Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Lagerbelastung und der Reduzierung von Vibrationen.
Ventilkomponenten: Werden in Ventilbaugruppen eingesetzt, um eine gleichmäßige Kraft zu erzeugen.
Kompakte Mechanismen: Ideal für den Einsatz in engen Räumen, in die herkömmliche Federn nicht passen.
Bei geschlitzten Tellerfedern sind radiale Schlitze in den Teller geschnitten, die die Federrate reduzieren und eine höhere Einfederung ermöglichen. Diese Federn bieten ein flexibleres Ansprechverhalten im Vergleich zu massiven Tellerfedern.
Anwendungen
Lastverteilung: Dient der gleichmäßigen Verteilung von Lasten in mechanischen Baugruppen.
Kompensation der Wärmeausdehnung: Wird in Systemen eingesetzt, in denen die Wärmeausdehnung flexible Komponenten erfordert.
Schwingungsisolierung: Wirksam bei der Isolierung von Vibrationen in empfindlichen Geräten.
Bei verschachtelten Tellerfedern handelt es sich um mehrere Tellerfedern, die ineinander geschachtelt sind, wobei jede Feder in die andere passt. Diese Anordnung erhöht die Tragfähigkeit bei gleichbleibend kompakter Bauhöhe.
Anwendungen
Schwere Maschinen: Einsatz in Schwerlastanwendungen, die eine hohe Tragfähigkeit erfordern.
Baumaschinen: Wird in Baumaschinen für tragende Teile verwendet.
Energieabsorption: Ideal für Anwendungen, die eine hohe Energieabsorption auf kleinem Raum erfordern.
Segmentierte Tellerfedern sind in Segmente unterteilt, wodurch die Gesamtbelastung verringert und eine gleichmäßigere Kraftverteilung erreicht wird. Sie bieten eine verbesserte Haltbarkeit und Leistung unter hohen Lastbedingungen.
Anwendungen
Umgebungen mit hoher Beanspruchung: Wird in Umgebungen eingesetzt, in denen Standard-Tellerfedern aufgrund der hohen Belastung versagen können.
Stoßdämpfer: Wird in Stoßdämpfern zur Verbesserung der Haltbarkeit eingesetzt.
Lastausgleich: Ideal für Anwendungen, die einen präzisen Lastausgleich erfordern.
Kontakttellerfedern sind mit speziellen Kontaktpunkten ausgestattet, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern und den Kontaktwiderstand zu verringern. Sie werden häufig in elektrischen und elektronischen Anwendungen eingesetzt.
Anwendungen
Elektrische Steckverbinder: Zur Gewährleistung zuverlässiger elektrischer Verbindungen.
Stromkreisunterbrecher: Wird in Leistungsschaltern eingesetzt, um einen gleichmäßigen Kontaktdruck aufrechtzuerhalten.
Batteriekontakte: Ideal für die Aufrechterhaltung zuverlässiger Verbindungen in Batteriebaugruppen.
Federn können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, von denen jedes seine eigenen Eigenschaften hat und für unterschiedliche Anwendungen geeignet ist. Einige häufig verwendete Materialien für Federn sind:
1. Stahl: Dies ist einer der am häufigsten verwendeten Werkstoffe für Federn. Er bietet eine gute Festigkeit, Haltbarkeit und Elastizität. Es werden verschiedene Stahlsorten wie Kohlenstoffstahl, legierter Stahl und rostfreier Stahl verwendet. Kohlenstoffstahl ist kostengünstig und eignet sich für viele Allzweckanwendungen. Legierter Stahl bietet höhere Festigkeit und Leistung unter anspruchsvolleren Bedingungen. Rostfreier Stahl wird wegen seiner Korrosionsbeständigkeit gewählt.
- So werden beispielsweise in Federungssystemen für Kraftfahrzeuge häufig Federn aus hochfestem legiertem Stahl verwendet, um der ständigen Beanspruchung und den wechselnden Belastungen standzuhalten.
2. Musikdraht: Auch als Klavierdraht bekannt, ist es ein Stahldraht mit hohem Kohlenstoffgehalt und ausgezeichneter Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Er wird in der Regel für kleine Präzisionsfedern verwendet.
- Für kleine Federn in mechanischen Uhren wird häufig Musikdraht verwendet, weil er präzise und zuverlässig funktioniert.
3. Bronze: Sie bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Bronzefedern werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen diese Eigenschaften wichtig sind, z. B. bei elektrischen Kontakten oder in Meeresumgebungen.
4. Messing: Ähnlich wie Bronze weist Messing eine gute Korrosionsbeständigkeit auf und wird manchmal in Federn verwendet, bei denen ein Nichteisenwerkstoff bevorzugt wird.
5. Titan: Titanfedern sind für ihr geringes Gewicht und ihr gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt und werden in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Hochleistungsanwendungen eingesetzt, bei denen eine Gewichtsreduzierung entscheidend ist.
- In einigen fortschrittlichen Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt tragen Titanfedern dazu bei, das Gesamtgewicht des Systems zu minimieren, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
6. Nickellegierungen: Diese Legierungen bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Korrosion und eignen sich daher für Federn, die unter extremen Bedingungen eingesetzt werden.
7. Kunststoffe und Verbundwerkstoffe: In einigen Fällen können Federn aus speziellen Kunststoffen oder Verbundwerkstoffen hergestellt werden. Diese bieten Vorteile wie geringes Gewicht, chemische Beständigkeit und elektrische Isolierung. Sie werden häufig in leichten und nichtmetallischen Anwendungen eingesetzt.
- In bestimmten medizinischen Geräten oder in der Unterhaltungselektronik, wo nichtleitende und leichte Federn benötigt werden, können Kunststofffedern eine geeignete Wahl sein.
8. Elastomere: Materialien wie Gummi oder Silikon können verwendet werden, um federähnliche Komponenten herzustellen, die Flexibilität und Stoßdämpfung bieten.
- Bei Stoßdämpfern für Kleingeräte oder Spielzeug können Federn auf Elastomerbasis eine einfache und kostengünstige Lösung bieten.
andere Stoffe, die für die Herstellung von Federn verwendet werden können. Dazu gehören verschiedene nichtmetallische Werkstoffe wie Keramik, die eine hervorragende Hitzebeständigkeit und Härte in bestimmten Hochtemperatur- oder Abriebumgebungen bieten. Glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe können eine Kombination aus Festigkeit und Leichtigkeit für spezielle Anwendungen bieten. Einige seltene Metalle und ihre Legierungen können auch in sehr speziellen Fällen verwendet werden, in denen einzigartige Eigenschaften wie extreme Härte oder Beständigkeit gegen bestimmte Chemikalien erforderlich sind. Die Auswahl dieser weniger gebräuchlichen Werkstoffe hängt von den hochspezialisierten und oft nischenhaften Anforderungen der jeweiligen Federanwendung ab.
Die Wahl des Werkstoffs für eine Feder hängt von Faktoren wie der erforderlichen Tragfähigkeit, der Betriebsumgebung, den Größenbeschränkungen und den Kosten ab.
Es sind zahlreiche Federbeschichtungen und Metalloberflächenbehandlungen erhältlich, die eine Vielzahl von Zielen verfolgen, wie z. B. Verschleißfestigkeit, Korrosionsschutz, verbesserte Federleistung und alle oben genannten Aspekte. Im Folgenden wird eine Vielzahl von Federbeschichtungen beschrieben:
Elektropolieren
Da das Werkstück und das abgeschiedene Material (in diesem Fall das Aufnahmematerial) die gleiche Polarität haben, funktioniert das Elektropolierverfahren ähnlich wie die Galvanisierung. Das bedeutet, dass das abgeschiedene Metall als Kathode und das Werkstück als Anode fungiert, um den Stromkreis durch den Elektrolyten zu schließen.
Durch schnelles Abtragen von Material von der erhabenen und rauen Oberfläche des Werkstücks, oder in diesem Fall durch Entplattieren der Feder, wird eine sehr glatte und polierte Oberfläche erzielt. Durch Elektropolieren kann eine Hochglanzoberfläche mit einer Oberflächenrauhigkeit von weniger als 0,05 m erzeugt werden, wenn die ursprüngliche Oberflächenrauhigkeit weniger als 0,18-0,20 m (Mikrometer) beträgt.
Taumelnd
Der Trommelbehälter, der Kunststoff-Polygranulat in verschiedenen Körnungen enthält, kann rotieren oder vibrieren, um eine Trommeloberfläche zu erzeugen. Diese Körnungen entsprechen den vier Stufen des Trommelns: Schleifen, Glätten, Polieren und Glänzen.
Wir füllen einen Taumelbehälter mit Teilen, wie z. B. Federn, und bedecken ihn mit Polygranulat, auch als Medium bezeichnet. Wenn das Medium im Einsatz ist, berührt es die Bauteile und poliert durch Reibung das Grundmaterial.
Shot Peening
Bei dem als Kugelstrahlen bezeichneten Kaltverformungsverfahren wird unter genau festgelegten Bedingungen ein Hochgeschwindigkeitsstrahl von Kugeln auf die Metalloberfläche gerichtet. Dadurch werden die freiliegenden metallischen Objektschichten einem Druck ausgesetzt, der die Zugspannungen des Materials stark reduziert und seine Zugfestigkeit erhöht.
Manchmal wird das Kugelstrahlen mit dem Sandstrahlen verwechselt, weil die beiden Verfahren ähnlich sind und das Kugelstrahlen auch die Oberfläche reinigt. Das Hauptziel des Kugelstrahlens besteht jedoch darin, die Dauerfestigkeit des Materials zu erhöhen. Das Verfestigungsmittel kann entweder Eisen, Stahl, Glaskugeln, gehackter Stahl oder rostfreier Stahldraht sein.
Galvanik
Beim Galvanisieren wird elektrischer Strom verwendet, um Ionen des Beschichtungsmaterials in das Beschichtungssubstrat, eine Feder, einzubringen. Ein Elektrolytbad enthält sowohl das Beschichtungsmaterial, das an der Anode angebracht ist, als auch den zu beschichtenden Teil, der an der Kathode angebracht ist. Der Stromfluss des Elektrolyts treibt die Ionen des Beschichtungsmaterials in das Beschichtungssubstrat und trägt eine dünne Schicht des Beschichtungsmaterials auf das Teil auf.
Kohlenstoffstähle und legierte Stähle, die entweder mit Edelmetallen oder nicht korrosiven Metallen beschichtet sind, sind die am häufigsten beschichteten Werkstoffe. Solange die Überzugsschicht intakt ist, bietet die galvanische Beschichtung mit Edelmetallen einen hervorragenden Korrosionsschutz. Nicht korrosive Metalle wie Zinn, Nickel und Chrom werden häufig als Korrosionsschutz auf Stähle galvanisiert. Diese Art der Beschichtung deckt jedoch nur selten Teile ab, die in Wasser eingetaucht, der Umwelt ausgesetzt oder mit einem anderen Elektrolyten in Berührung gekommen sind.
Stattdessen verwendet man häufig weniger edle Materialien wie Zink oder Kadmium als eine Art Opferanode, die anstelle des Substrats oxidiert.
Stromlose Beschichtung
Die stromlose Beschichtung ist eine Technik, bei der ein Substrat mit Nickel beschichtet wird, ohne dass Elektrizität benötigt wird. Dabei gibt es keine Anode; stattdessen wirkt das Substrat als Katalysator, um eine chemische Reaktion in Gang zu setzen, die die Nickelionen in der Elektrolytlösung reduziert und auf dem Substrat abscheidet. Abgesehen von ihrer katalytischen Rolle sorgt die Nickelbeschichtung für eine kontinuierliche Reaktion, bis das Substrat das Elektrolytbad verlässt.
Dies ermöglicht die Herstellung einer relativ dicken Beschichtung von 20 m bis 50 m. Außerdem ist die chemisch vernickelte Platte im Gegensatz zur galvanischen Beschichtung völlig homogen und passt in alle Ecken und Winkel. Zwar können auch andere Metalle beschichtet werden, doch sind Nickel und seine Legierungen die am häufigsten verwendeten.
Chemische Beschichtungen
Chemische Behandlungen von Metallen, wie z. B. das Waschen mit Phosphorsäure, führen bei Stahl in der Regel zu einem begrenzten und vorübergehenden Oxidationsschutz. Farbanstriche können einen Korrosionsschutz für einen längeren Zeitraum bieten. Die kostengünstigste Art, eine korrosionsbeständige Barriere auf Stahl-, Edelstahl- oder Kupferoberflächen zu schaffen, ist das Aufbringen von Schwarzoxid. Bei einigen Anwendungen lassen sich damit auch hervorragend Lichtreflexe entfernen.
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