Formfedern, Flachfedern und Blattfedern zählen zu den ältesten Metallfederarten und haben sich in zahlreichen Industriezweigen als unverzichtbare Konstruktionselemente etabliert. Vor allem im Maschinenbau, Fahrzeugbau sowie in der Feinwerk- und Elektrotechnik sind sie heute fester Bestandteil unterschiedlichster Anwendungen. Ihre zentrale Eigenschaft – mechanische Energie durch Verformung aufzunehmen, zu speichern und bei Bedarf gezielt wieder abzugeben – wird vielfältig genutzt (ist einmalig). Diese Fähigkeit zur Speicherung und Umwandlung von mechanischer Energie macht sie zum idealen Konstruktionsteil für den Kraft- und Wegausgleich.
Relevante Voraussetzungen für die Entwicklung und die Herstellung von Flach-, Form- und Blattfedern:
- Geeignete Werkstoffe, die neben hoher Festigkeit und Verformbarkeit, je nach Einsatzfall, auch zusätzliche technische Eigenschaften aufweisen, wie etwa Wärmebeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Antimagnetismus etc..
- Grundlagen zur Berechnung von Flach-, Form- und Blattfedern, die den technischen Forderungen gerecht werden
- Fortschrittliche Fertigungsverfahren zur präzisen und wirtschaftlichen Herstellung.
- Zuverlässige Messmethoden und Prüfeinrichtungen zur Ermittlung von Federkennwerten zur Überprüfung der Federfunktion während und nach der Fertigung, sowie bei der experimentellen Erprobung in der Anwendung.
Häufig ist die Entwicklung von Baugruppen, in denen Formfedern, Flachfedern und Blattfedern zum Einsatz kommen, mit experimentellem Aufwand verbunden. Die Gründe dafür sind vielfältig: Einerseits werden Federn oft erst spät in den Konstruktionsprozess einbezogen, andererseits erfassen die vorhandenen Berechnungsverfahren die realen Einsatzbedingungen nicht immer ausreichend. Neben umfassender Erfahrung in der klassischen Auslegung von Flach-, Form- und Blattfedern kommt inzwischen zunehmend auch die Finite-Elemente-Methode (FEM) als Berechnungsinstrument zum Einsatz.
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Anwendungsfälle für Formfedern, Flachfedern und Blattfedern
Die Einsatzfälle von Federn aus Flachmaterial sind unzählig und unüberschaubar. Sie reichen von einfachen Blattfedern bis hin zu komplizierten, an die Geometrie der sie umgebenden Bauteile genau angepassten Flachfedern und Formfedern. Trotz dieser Vielfalt lässt sich hinsichtlich Funktion, Verwendungszweck und Federform eine Klassifizierung finden.
Klassifizierung Metallfedern nach Verwendungszweck:
- Speicherelemente > Speicherung mechanische Energie (Energiespeicherung) durch Umformung (Antriebsfedern und Aufrollmechanismen)
- Messelemente > Nutzung des linearen Zusammenhangs zwischen Kraft und Wegstrecke (Federwaage, Kraft- und Momentensensoren)
- Schwingungs- und Dämpfungselemente > Abfedern von Stößen und Schwingungen (Ausgleichsfeder, Tragfedern)
- Ruheelemente > Bereitstellung von Vorspannkräften und Rückstellbewegungen (Sicherungselemente und Kontaktbrücken)
- Lagerelemente > Aufgaben der Kraftverteilung für Bewegungen innerhalb eines begrenzten Bereiches (Vibrationsausgleich)
Unterteilung in gerade, gekrümmte, gewundene und scheibenförmige Federform:
Gerade Flachfedern werden häufig für Kontaktsysteme elektrischer Schalteinrichtungen, beispielsweise in Relais, verwendet. Die Kontaktfedern aus Flachmaterial können auf diese Weise vorgespannt eingebaut werden. Durch die vorhandenen Federkräfte werden die Schaltwege zuverlässig geschlossen.
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 komplex. Allgemeingültige Berechnungsmodelle stehen nicht zur Verfügung. Gefordert ist die langjährige Erfahrung des Technikers, der die Abmessungen häufig über bekannte Näherungen und im Experiment festlegt. Bei den Gestaltungsrichtlinien sind insbesondere die Mindestbiegeradien einzuhalten.
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
Bei der Entwicklung von Formfedern, Flachfedern oder Blattfedern sind zahlreiche Entscheidungen zu treffen. Dazu zählen die Auswahl der Federart, die konkrete Federform, die Wahl des Werkstoffs, die Festlegung der Abmessungen sowie die Berücksichtigung der Einbausituation und die Möglichkeiten für Fertigung und Prüfung. Die wichtigsten Hilfsmittel bei diesen Entscheidungen sind Berechnungen zum Verformungsverhalten der Federn. Da meist mehr als zwei Federparameter zu bestimmen sind, erfolgt die Grundauslegung in einem iterativen Prozess. Für jede konstruierte Feder ist zudem ein Funktions- und Festigkeitsnachweis zu führen. Hierbei gilt es zu prüfen, ob die geforderte Federrate, die Kräfte und Wege innerhalb der festgelegten Toleranzen eingehalten werden.
Bei der Festlegung der Federgeometrie sind neben den funktionalen Anforderungen auch fertigungs- und werkstofftechnische Aspekte zu berücksichtigen, um die Herstellung möglichst effizient und kostengünstig zu gestalten. Die Konstruktion von Metallfedern erfordert daher spezielles Wissen und Erfahrung in den Bereichen Kaltumformung und Wärmebehandlung. Schließlich hängt von der Geometrie der Feder nicht nur deren Zuverlässigkeit ab, sondern oft auch die Funktionalität des gesamten Produkts, in dem sie eingesetzt wird.
Herstellung
Flachfedern, Formfedern und Blattfedern werden je nach Anforderung, Formgebung und Stückzahl im reinen Biege- / Stanzbiegeverfahren oder durch Laserschneiden mit nachfolgender Umformung durch Biegen, Prägen und Kanten hergestellt. Hierbei sind der Formgebung von Flach- oder Formfedern keine Grenzen gesetzt. Abschließende Oberflächenbehandlungen, wie das Gleitschleifen, Trowalisieren, Phosphatieren, Brünieren, Verzinken, Lackieren etc. runden den Fertigungsprozess ab. 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 zur Auswahl 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 selten möglich. Darum dokumentiert Gutekunst Formfedern jede Fertigung ausführlich und nutzt diese Informationen für nachfolgende Auslegungen.
Gutekunst Formfedern entwickelt gemeinsam mit Ihnen eine maßgeschneiderte Lösung für Ihre aktuelle Aufgabenstellung. Auf Basis Ihrer Zeichnung, CAD-Daten, Einbausituation und Funktionsbeschreibung prüfen und kalkulieren wir Ihre Anforderungen sorgfältig. Nutzen Sie bei Interesse einfach unser Anfrageformular oder senden Sie Ihre Unterlagen direkt an info@gutekunst-formfedern.de.
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