Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 11/2016, 11.11.2016

Die Qual der Federwahl

Oft haben Anwender die Qual der Wahl bei der Auswahl der richtigen Feder. Soll’s eine Zugfeder sein oder doch lieber eine Druckfeder? Welches Material ist geeignet für meinen Einsatzzweck? Welchen Temperaturen ist die Feder ausgesetzt? Entscheidende Fragestellungen, die nicht selten über Wohl und Wehe einer kompletten Anlage entscheiden. Der Federprofi Gutekunst gibt dazu entscheidende Tipps.

(pi) Grundsätzlich werden Metallfedern nach ihrer Kennlinie beurteilt. Die Federkennlinie ist der Charakter der Metallfedern. Diese stellt das Verhältnis der Federkraft «F» zum Federweg «s» dar. Je nach Federntyp, Federnbauform, Windungsabstand und Federsystem kann man lineare, progressive, degressive oder kombinierte Federkennlinien erzeugen.

Bei einer linearen Federkennlinie wird die Kraft gleichmässig abgegeben, bei einer progressiven Kennlinie verstärkt sich die Kraftentfaltung mit Zunahme der Belastung und bei einer degressiven Kennlinie verringert sie sich mit der Belastung. Bei der kombinierten Federkennlinie werden unterschiedliche Kraftzustände entlang der Federkennlinie abgebildet. Diese kombinierte Federkennlinie kann mithilfe von Federsystemen erzeugt werden.

Nachdem man sich mit der Federkennlinie und dem Kraftverlauf auf den Charakter der Metallfeder festgelegt hat, müssen zur optimalen Auslegung folgende Anforderungen abgeklärt und festgelegt werden:

  • Belastungsart und Lebensdauer
  • Einsatztemperatur
  • Umgebungsmedium
  • Benötigte Federkräfte und -wege
  • Einbauraum
  • Einbausituation
  • Toleranzfeld

Bei der Belastungsart wird zwischen statischer oder quasistatischer und dynamischer Belastung unterschieden. Die statische oder quasistatische Belastung ist definiert als zeitlich konstante (ruhende) oder zeitlich veränderliche Belastung mit weniger als 10 000 Lastwechseln insgesamt oder Hubspannung bis 0,1 x Dauerhubfestigkeit.

Unter dynamischer Belastung versteht man eine zeitlich veränderliche Belastung mit mehr als 10 000 Lastwechseln insgesamt und Hubspannungen über 0,1 x Dauerhubfestigkeit. Dabei wird die Metallfeder meist vorgespannt eingebaut und einer periodischer Schwellbelastung mit sinusförmigen Verlauf ausgesetzt, beispielsweise der Fall bei Kfz-Federungen. Dabei kann es auch zu schlagartigen Kräfteveränderungen kommen.

Bei dynamischen Belastungen eignen sich vorwiegend Druckfedern und vereinzelt Zugfedern mit eingeschraubten Federenden. Die Einsatztemperatur beeinflusst entscheidend die Auswahl des passenden Werkstoffs. Aus diesem Grund gibt es bevorzugte Federstähle für Niedrigtemperatur- und für Hochtemperaturanwendungen.

Besonders bei Hochtemperaturanwendungen muss die Relaxation des Federwerkstoffs bei der Kraftauslegung berücksichtigt werden. Dabei tritt unter permanenter Spannung und höheren Temperaturen ein Kraftverlust auf, der mit steigender Temperatur und Belastungsdauer zunimmt. Wichtige Fragen betreffen auch die Umgebungsmedien der Feder: In welcher Umgebung wird die Metallfeder eingesetzt? Muss die Feder korrosionsbeständig sein oder gegen aggressive Säuren bestehen? Wird sie in der Lebensmittelbranche eingesetzt oder muss sie medizinisch rein sein? Alle diese Fragen beeinflussen die Auswahl des Federstahldrahts und einer möglichen abschliessenden Oberflächenbehandlung.

Meistens werden die Federn vorgespannt eingebaut, das heisst, die Feder erzeugt bereits eine bestimmte Vorspannkraft im Ruhezustand. Diese Kraft wird als vorgespannte Federkraft «F1» beschrieben. Besonders bei dynamischen Belastungen kommt es auf den Federhub «sh» an, der den Federweg zwischen «s1» und «s2» oder zwischen «L1» und «L2» beschreibt. Je kleiner der Federhub ist, umso besser ist die dynamische Belastbarkeit der Metallfeder.

Welche Dimensionen hat der Einbauraum, in der die Feder eingesetzt werden soll? Welchen Durchmesser und welche Länge darf oder muss die Metallfeder besitzen, damit sie eingebaut werden kann? Diese Baumasse sind Voraussetzung für die Auslegung der passenden Federn. Dabei müssen auch die Toleranzwerte der jeweiligen Masse im ruhenden und belasteten Zustand berücksichtigt werden.

Dazu muss, je nach Druck-, Zug- oder Schenkelfeder, die Einbausituation überprüft werden. Wird beispielsweise eine Druckfeder ohne Führung eingebaut, müssen die unterschiedlichen Knickgrenzen für die verschiedenen Federendlagerungen berücksichtigt werden. Bei Zugfedern ist dagegen wichtig, an welcher Position die Ösen eingehängt werden. So ist die optimale Krafteinwirkung bei Zugfedern zentrisch an beiden Ösen entlang der Federlängsachse. Und bei Schenkelfedern ist wichtig, dass diese immer nur in Windungsrichtung belastet werden.

Abschliessend ist das Toleranzfeld der Federnart zu berücksichtigen. Denn jede Metallfeder wird bei der Produktion innerhalb eines bestimmten Toleranzfeldes gefertigt, sodass die Feder optimal für den Einsatzfall hergestellt wird. Dieses Toleranzfeld wird bei Metallfedern in Gütegrad 1, 2 und 3 ausgewiesen. Normalerweise werden Metallfedern in Gütegrad 2 gefertigt, was vor allem bei kleineren Federabmessungen einem Toleranzfeld von bis zu zehn Prozent entspricht. Bei Gütegrad 1, mit höheren Herstellungskosten, ist das Toleranzfeld am kleinsten und bei Gütegrad 3, mit geringeren Herstellungskosten, am grössten.

Ausführliche Informationen zur richtigen Federauswahl und -auslegung können unter www.goo.gl/b9oM7X heruntergeladen werden.

Gutekunst + Co. KG Federnfabriken
72555 DE-Metzingen, Tel. +49 7123 960-0
technik@gutekunst-co.com,
www.federnshop.com



Die richtige Feder auszuwählen ist nicht immer einfach; das Angebot ist enorm. (Bilder: Gutekunst)


Federcharakter: Man unterscheidet zwischen progressiver (links), linearer (Mitte) und degressiver (rechts) Kennlinie.

Auf einen Blick

Kleines Feder-ABC

Druckfedern: Sie werden mit Abstand am häufigsten eingesetzt, da sie bessere Belastungseigenschaften aufweisen. Aufgrund der Leistungsdaten der Druckfeder ist es in manchen Fällen sogar sinnvoller, eine Zugfederanwendung auf eine Druckfeder umzubauen.

Einbauraum: Baumasse sind wichtig für die Auslegung der passenden Federn. Dabei müssen auch die Toleranzwerte der jeweiligen Masse im ruhenden und belasteten Zustand berücksichtigt werden.

Einbausituation: Je nach Druck-, Zug- oder Schenkelfeder muss die Einbausituation überprüft werden.

Einsatztemperatur: Sie beeinflusst entscheidend die Auswahl des passenden Werkstoffs.

Federkennlinie: Sie charakterisiert Metallfedern und stellt das Verhältnis der Federkraft «F» zum Federweg «s» dar. Je nach Federntyp, Federnbauform, Windungsabstand und Federsystem kann man lineare, progressive, degressive oder kombinierte Federkennlinien erzeugen.

Federkräfte und -wege: Welche Federkräfte soll die Metallfeder bei bestimmten Federwegen erzeugen? Je kleiner der Federhub ist, umso besser ist die dynamische Belastbarkeit der Metallfeder.

Schenkelfedern: Sie werden bei Drehbewegungen eingesetzt, also überall dort, wo eine Biegebeanspruchung auftritt. Bei den Schenkelfedern gibt es keine besonderen Bauformen; das heisst, Schenkelfedern sind immer zylindrisch mit einer linearen Federkennlinie.

Toleranzfeld: Jede Metallfeder wird bei der Produktion innerhalb eines bestimmten Toleranzfeldes gefertigt, sodass die Feder optimal für den Einsatzfall hergestellt wird.

Umgebungsmedium: Wichtige Fragen sind: In welcher Umgebung wird die Metallfeder eingesetzt? Muss die Feder korrosionsbeständig sein oder gegen aggressive Säuren bestehen? Wird sie in der Lebensmittelbranche eingesetzt oder muss sie medizinisch rein sein?

Vorspannung: Meistens werden die Federn vorgespannt eingebaut, das heisst, die Feder erzeugt bereits eine bestimmte Vorspannkraft im Ruhezustand.

Zugfedern: Sie werden am zweithäufigsten eingesetzt. Insbesondere die spezielle Bauform mit den beidseitigen Ösen birgt einige Risiken, die bei der Zugfederauslegung berücksichtigt werden müssen. Auch, dass die Zugfeder bei einem Federbruch ihre Federkraft komplett verliert, sollte bei der Verwendung einer Zugfeder beachtet werden.