Formfedern, Flachfedern und Blattfedern gehören zu den ältesten Federanwendungen. In Produkten vieler Industriezweige zählen sie heute zu den unverzichtbaren Konstruktionselementen. Insbesondere im Maschinenbau, Fahrzeugbau sowie in der Feinwerk- und Elektrotechnik finden sie ihr Hauptanwendungsgebiet. Schon immer wurde insbesondere ihre folgende Eigenschaft genutzt: Durch Aufnahme beziehungsweise Übertragung von Kräften unter relativ großer Verformung mechanische Arbeit als potenzielle Energie zu speichern und diese zu einem frei wählbaren Zeitpunkt wieder abgeben zu können. Die Eigenschaft zum Speichern und Wandeln von Energie ermöglicht ihre Verwendung für den Energie-, Kraft- und Wegausgleich. Relevante Voraussetzungen für den außerordentlich vielfältigen Einsatz von Flach-, Form- und Blattfedern in den genannten Anwendungsgebieten sind:
- Entwicklung geeigneter Werkstoffe, die neben der für Federn wichtigen hohen Festigkeit und Verformbarkeit bei Bedarf zusätzliche technische Eigenschaften besitzen (beispielsweise Wärmebeständigkeit, definierte Wärmedehnung, Strom leitend, antimagnetisch usw.)
- Grundlagen zur Berechnung der Abmessungen von Federn, die den Forderungen vorgegebener technischer Aufgaben gerecht werden; Entwicklung von Fertigungsverfahren und Fertigungseinrichtungen zur effektiven und genauigkeitserfüllenden Herstellung
- Messverfahren und -einrichtungen für die Ermittlung von Federkennwerten und für die Überprüfung der Federfunktion während beziehungsweise nach Abschluss der Fertigung, aber auch bei der experimentellen Erprobung im Produkt.
Lange war der Entwurf von Baugruppen, in denen Federn zum Einsatz kommen, mit relativ hohem experimentellen Aufwand verbunden. Aktuell ist das noch teilweise der Fall, die Ursachen dafür sind vielschichtig. Einerseits sind es konstruktionsbedingte Gründe, beispielsweise die zu späte Einbeziehung der Federn in den Baugruppenentwurf. Andererseits werden die realen Einsatzbedingungen durch die verfügbaren Berechnungsverfahren oft nur unzureichend erfasst. Neben ausreichender Erfahrung in der Auslegung von Flach-, Form- und Blattfedern mit klassischen Berechnungsverfahren, kommt auch verstärkt die Finite-Elemente-Methode als Berechnungsmöglichkeit zum Einsatz.
Anwendungsfälle für Formfedern, Flachfedern und Blattfedern
Die Einsatzfälle von Flachfederformen sind unzählig und unüberschaubar. Sie reichen von einfachen Blattfedern bis hin zu komplizierten, an die Geometrie der sie umgebenden Bauteile genau angepassten Flachformfedern und Flachformfedersystemen. Trotz dieser Vielfalt lässt sich hinsichtlich Funktion/Verwendungszweck sowie Federform und Federanordnung eine Klassifizierung finden. Die Einteilung stellt Funktion und Verwendungszweck dieser Federanwendungen übersichtlicher dar.
Klassifizierung nach Verwendungszweck
- Speicherelemente, deren Hauptaufgabe in der Energiespeicherung und -umformung besteht (zum Beispiel Antriebsfedern in Uhren, Laufwerken und Waffen)
- Messelemente, bei denen der für viele Federn charakteristische lineare Zusammenhang zwischen Kraft und Weg ausgenutzt wird („Federwaage“, Kraft- und Momentensensoren)
- Schwingungs- und Dämpfungselemente, bei denen die Schwingungseigenschaft ebenso genutzt wird wie die Eigenschaft, Stöße abzufedern sowie Schwingungen durch innere Reibung oder in Verbindung mit Dämpfungsgliedern relativ schnell zum Abklingen zu bringen (Frequenzmesser, Unruhfeder, Kfz-Tragfedern)
- Ruheelemente mit Aufgaben der Kraftverteilung, des Kraft- und Wegausgleichs, der Erzeugung von Vorspannkräften und der Realisierung von Rückstellbewegungen (Spielausgleich, Kontaktgabe, Dichtungen, Sicherungselemente)
- Lagerelemente, bei denen die Biege- oder Verdrehelastizität des Werkstoffs für Bewegungen innerhalb eines begrenzten Bereiches ausgenutzt werden (Feder- und Kreuzfedergelenk, Spannbandlagerung)
Die Federform wird unterteilt in gerade, gekrümmte, gewundene und scheibenförmige Federn.
Gerade Flachfedern werden häufig für Kontaktsysteme elektrischer Schalteinrichtungen, beispielsweise in Relais, verwendet. Die Kontaktfedern aus Flachmaterial können auf diese Weise vorgespannt eingebaut werden. Dadurch verkürzen sich die Schaltwege, und die erforderlichen Kontaktkräfte können ohne große Verformung der abgestützten Kontaktblattfeder erzeugt werden.
Gekrümmte Flachfedern unterscheidet man in gekrümmte Blattfedern und Formfedern. Bei der gekrümmten Blattfeder setzt sich die Feder aus Geraden- und Kreisbogenteilen zusammen. Für Formfedern sind beliebige, der jeweiligen Aufgabe angepasste Federformen möglich. Die Berechnung ist meist problematisch. Gefordert ist die langjährige Erfahrung des Technikers, der die Abmessungen häufig durch grobe Näherungen und im Experiment festlegt. Allgemeingültige Berechnungsmodelle sind nicht bekannt. Wichtig sind in jedem Falle die Gestaltungsrichtlinien, wobei insbesondere die Mindestbiegeradien einzuhalten sind.
Unter gewundenen Blattfedern werden Spiralfedern mit und ohne Windungszwischenraum sowie Rollfedern zusammengefasst. Scheibenförmige Flachfedern, zu denen Tellerfedern und Federscheiben gehören, können jeweils als Einzelfeder oder in Federkombination zum Einsatz kommen.
Auslegung und Konstruktion
Beim Entwurf der Formfedern, Flachfeder oder Blattfeder sind viele Entscheidungen zu treffen. Diese beziehen sich auf Festlegungen zur Federart, zur Federform und zu den Abmessungen, zur Federbefestigung, zum Federwerkstoff und zu den Fertigungs- und Prüfmöglichkeiten. Entscheidungshilfen sind hauptsächlich Berechnungen zum Verformungsverhalten und zur Tragfähigkeit (Lebensdauer) der Federn. Grundlage dafür sind die jeweils geltenden Verformungs- und Spannungsbeziehungen. Die zwei, jeweils federabhängigen Bestimmungsgleichungen müssen die zahlreichen Anforderungen an die Feder und die bestehenden Einflüsse berücksichtigen. Es müssen mehr als zwei Federparameter festgelegt werden, daher ist beim Federentwurf eine iterative Vorgehensweise notwendig. Für die entworfene Feder muss stets ein Funktions- und Festigkeitsnachweis geführt werden. Beim Funktionsnachweis ist die Einhaltung der geforderten Federrate, der Kräfte und Wege innerhalb vorgegebener Toleranzen, das Schwingverhalten sowie weitere an die Feder gestellte Forderungen zu überprüfen. Dies kann in Form eines Spannungs-, Sicherheits-, Tragfähigkeits- oder Lebensdauernachweises erfolgen. Bei Festlegung der Federgestalt sind neben den aus funktionellen Forderungen resultierenden geometrischen Bedingungen vor allem fertigungs- und werkstofftechnische Belange zu berücksichtigen, um minimale Herstellungskosten zu erreichen. Die Gestaltung von Metallfedern erfordert insbesondere Kenntnisse und Erfahrungswerte der Kaltumformung und der Wärmebehandlung. Von der Federgestalt hängt jedoch nicht nur die Zuverlässigkeit der Federfunktion, sondern meistens die des kompletten Produkts ab, in dem die Feder zum Einsatz kommt.
Herstellung
Flachfedern, Formfedern und Blattfedern werden je nach Anforderung, Formgebung und Stückzahl im reinen Biege- oder Stanzbiegeverfahren hergestellt oder durch Laserschneiden mit nachfolgender Umformung durch Biegen, Prägen, Kanten und Tiefziehen. Vor allem beim Tiefziehen sind der Formgebung von Flach- oder Formfedern keine Grenzen gesetzt. Dazu werden abschließende Oberflächenbehandlungen, wie das Gleitschleifen, Trowalisieren, Phosphatieren, Brünieren, Verzinken, Lackieren etc. angeboten. Des Weiteren können die Federn direkt in beigestellte Baugruppen verbaut werden. Die Auswahl der Federwerkstoffe ist umfangreich, neben normalen Federstählen werden Edelstähle, NE-Metalle und Bundmetalle in Bandform oder Plattenform angeboten.
Materialstärken: 0,1 bis 3,0 mm
Bandbreiten: 1,0 mm – 150 mm
Plattengrößen: 1500 x 2500 mm
Fertigungstechnik: Lasern, Prägen, Stanzen, Biegen, Schleifen, Montieren
Oberflächentechnik: Trowalisieren, Phosphatieren, Brünieren, Verzinken und Lackieren … weitere Oberflächen auf Anfrage
Für die optimale Herstellung individueller Form-, Blatt- und Flachfedern ist fundierte und lange Erfahrung notwendig. Aufgrund der individuellen und komplexen Formgebung ist eine standardisierte Auslegung und Berechnung nach Schema F nicht immer möglich. Profunde Praxis bei der Herstellung von Flach- und Formfedern wird benötigt. Darum dokumentiert Gutekunst Formfedern jede Fertigung ausführlich und kann aus diesem Grund Informationen für nachfolgende Auslegungen zur Verfügung zu stellen.
Gutekunst Formfedern erarbeitet die optimale Lösung über die aktuelle Aufgabenstellungen direkt mit dem Kunden. Anhand einer Zeichnung, CAD-Daten, Einbausituation und Funktion werden die gewünschten Anforderungen geprüft und kalkuliert. Bei Bedarf nutzen Sie bitte unser Anfrageformular oder senden Sie Ihre Daten direkt an info@gutekunst-formfedern.de .
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