Eine Metallfeder auszulegen, scheint mit Kraft und Federweg erledigt. Ob sie dauerhaft hält, entscheiden jedoch ebenso Bauraum, Kennlinie, Belastungsart und Werkstoff; welche Daten dafür nötig sind, beschreibt der Federnhersteller Gutekunst.

Textquelle: Gutekunst Federn

Metallfedern sind in nahezu allen technischen Anwendungen zu finden: im Maschinenbau, in der Elektrotechnik, im Fahrzeugbau, in der Medizintechnik, in Haushaltsgeräten oder in feinmechanischen Baugruppen. Sie speichern Energie, erzeugen Rückstellkräfte, gleichen Toleranzen aus, dämpfen Bewegungen oder stellen Kontakte her. Damit eine Feder dauerhaft zuverlässig arbeitet, muss sie passend zur Anwendung ausgelegt sein. Entscheidend sind dabei nicht nur Kraft und Federweg, sondern auch Bauraum, Belastungsart, Werkstoff, Federkennlinie und Einbausituation.

Die gängigsten Federnarten aus Runddraht sind Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern. Am häufigsten eingesetzt wird die Druckfeder: Sie nimmt Druckkräfte auf und gibt sie beim Entlasten wieder ab. Zugfedern arbeiten in entgegengesetzter Richtung, sie nehmen Zugkräfte auf und ziehen Bauteile wieder zurück. Schenkelfedern erzeugen Drehmomente und kommen überall dort zum Einsatz, wo rotatorische Bewegungen oder Rückstellwinkel erforderlich sind.

Die gewünschte Bewegung bestimmt die passende Federnart

Der erste Schritt der Federauslegung ist die Wahl der passenden Federnart. Soll eine lineare Bewegung abgefedert, ein Bauteil zurückgedrückt oder eine Kraft in axialer Richtung gespeichert werden, ist meist eine Druckfeder die richtige Wahl. Soll ein Bauteil zurückgezogen oder unter Vorspannung gehalten werden, bietet sich eine Zugfeder an. Wird dagegen ein Drehmoment benötigt, ist die Schenkelfeder die geeignete Federnart.

Tabelle 1: Federnarten im Überblick

Die Kennlinie zeigt, wie die Kraft mit dem Weg steigt

Für Konstrukteure ist die Federkennlinie ein zentrales Auswahlkriterium. Sie beschreibt das Verhältnis zwischen Federkraft und Federweg. Bei einer linearen Kennlinie bleibt die Federrate konstant, bei einer progressiven steigt sie mit zunehmender Einfederung. Die Federrate, auch Federkonstante genannt, gibt an, welche Kraft nötig ist, um die Feder um einen bestimmten Weg zu verformen. Sie wird in Newton pro Millimeter (N/mm) angegeben.

Die zylindrische Druck- und Zugfeder ist die klassische und am häufigsten verwendete Bauform. Sie besitzt eine lineare Federkennlinie: Die Kraft steigt proportional zum Federweg an. Wird zum Beispiel eine Zugfeder um den doppelten Weg gedehnt, verdoppelt sich auch die Federkraft. Dieser gleichmässige Kraftanstieg ist für viele technische Anwendungen ideal.

Lineare Kennlinie einer zylindrischen Zugfeder. (Bild: Gutekunst)

Daneben gibt es konische Bauformen. Sie ermöglichen eine progressive Federkennlinie, bei der die Federkraft mit zunehmender Einfederung steigt. Zu Beginn lassen sich so weiche Kraftverläufe realisieren, bei grösserer Belastung steigt die Federkraft dann überlinear (progressiv) an. Bei Schenkelfedern gibt es keine progressive Federkennlinie; hier wird die lineare Momentfederrate in Nmm berechnet.

Federsysteme helfen, wo eine Einzelfeder nicht reicht

Neben einzelnen Federn lassen sich auch Federsysteme einsetzen. Häufig sind Parallel-, Reihen- und Mischschaltungen. Bei einer Parallelschaltung sind mehrere Federn so angeordnet, dass sie gemeinsam belastet werden. Dadurch erhöht sich die Gesamtfederrate, die Federung wird also härter. Bei einer Reihenschaltung liegen die Federn hintereinander. Die Gesamtfederrate sinkt, die Federung wird weicher, und grössere Federwege werden möglich. Mischschaltungen kombinieren beide Prinzipien und erlauben eine gezielte Anpassung an komplexe Kraft-Weg-Anforderungen.

In der Parallelschaltung werden mehrere Druckfedern gemeinsam belastet; die Gesamtfederrate steigt, die Federung wird härter. (Bild: Gutekunst)

Interessant sind Federsysteme vor allem dann, wenn der vorhandene Bauraum begrenzt ist oder bestimmte Kraftverläufe gefordert werden, die sich mit einer einzelnen Standardfeder nicht gut erreichen lassen.

Tabelle 2: Federsysteme im Vergleich

Vier Kennwerte genügen für eine typische Federauslegung

Damit sich eine Metallfeder zuverlässig auslegen lässt, sollten die wichtigsten technischen Anforderungen möglichst exakt definiert sein. Dazu gehören zunächst die Abmessungen des Bauraums. Bei Druck- und Zugfedern sind das vor allem der maximal zulässige Aussendurchmesser [D_e] und die ungespannte Federlänge [L₀]. Bei der Schenkelfeder sind es der Dorndurchmesser [D_{d max}], die Höhe des Federkörpers [L_k], die ungespannte Schenkelstellung [α] sowie die Schenkellänge [L_s].

Ebenso wichtig sind die gewünschten Federkräfte mit den zugehörigen Arbeitswegen oder -längen, etwa die benötigte Federkraft [F₂] nach einem bestimmten Federweg [s₂] oder bei einer bestimmten Federlänge [L₂]. In vielen Anwendungen kommt eine vorgespannte Einbaulänge [L₁] mit der zugehörigen Vorspannkraft [F₁] hinzu. Diese Werte beschreiben den Arbeitsbereich der Feder, also F₂ minus F₁ und s₂ minus s₁. Aus ihnen lässt sich die Federrate berechnen. Bei Schenkelfedern ist die benötigte Federkraft [F₂] mit dem Hebelarm [R_H] wichtig, also dem Abstand des Krafteinleitungspunkts vom Zentrum des Federkörpers, oder das Drehmoment [M₂] bei einem bestimmten Drehwinkel [α₂].

Die Formelzeichen der Federauslegung im Überblick. (Bild: Gutekunst)

Tabelle 3: Daten für die Federauslegung

Eine typische Federauslegung erfolgt somit nach den Baumassen [D_e] und [L₀] mit der gewünschten Federkraft [F₂] nach einem definierten Federweg [s₂] oder einer definierten Federlänge [L₂]. Alternativ lässt sich die Feder auch anhand vorgegebener Baumasse berechnen, mit Drahtdurchmesser [d], Aussendurchmesser [D_e], ungespannter Federlänge [L₀] und Anzahl der federnden Windungen [n]. Dieses Vorgehen bietet sich an, wenn eine vorhandene Feder ersetzt werden soll oder der Bauraum bereits sehr eng vorgegeben ist.

Mehr als 10000 Hübe machen die Belastung dynamisch

Ein weiterer zentraler Punkt ist die Belastungsart. Wird eine Feder nur selten oder mit zeitlich nahezu konstanter Belastung eingesetzt, spricht man von einer statischen Anwendung. Auch zeitlich veränderliche Belastungen mit insgesamt weniger als etwa 10000 Hüben werden dem statischen Bereich zugeordnet. Anders bei dynamischer Beanspruchung: Hier wird die Feder über einen langen Zeitraum wechselnd belastet, mit mehr als 10000 Hüben.

Für die Dauerfestigkeitsauslegung ist insbesondere der Federhub [s_h] wichtig. Er beschreibt den Arbeitsbereich zwischen der vorgespannten Federlänge [L₁] und der belasteten Federlänge [L₂]. Je grösser der Hub und je höher die Spannungen im Draht, desto stärker wird die Feder beansprucht. Für eine dynamische Belastung kommen hauptsächlich Druckfedern mit kugelgestrahlter Oberfläche zum Einsatz. Bei Zugfedern ist das Risiko eines Ösenbruchs zu gross. Einzig mit eingeschraubten Zugfederenden lässt sich eine Dauerfestigkeitsanwendung unter realen Bedingungen testen.

Tabelle 4: Statische und dynamische Belastung

Die Einsatzumgebung entscheidet über den Federwerkstoff

Die Auswahl des passenden Federwerkstoffs hängt von den mechanischen Anforderungen und der Einsatzumgebung ab. Für viele Standardanwendungen kommt der normale Federstahldraht EN 10270-1 zum Einsatz. Er bietet gute mechanische Eigenschaften, reicht für zahlreiche technische Anwendungen aus und ist kostengünstig.

Ist Korrosionsbeständigkeit gefragt, werden häufig Edelstahldrähte wie 1.4310 oder 1.4568 verwendet. Diese Werkstoffe eignen sich beispielsweise für Anwendungen in feuchter Umgebung, in der Medizintechnik, in der Lebensmitteltechnik oder in Bereichen, in denen eine saubere und langlebige Oberfläche gefordert ist.

Für Hochtemperaturanwendungen kommen spezielle Werkstoffe wie Nimonic 90, Inconel X-750 oder Hastelloy C4 infrage. Diese Nickelbasiswerkstoffe behalten ihre mechanischen Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen von 450 bis 550 °C. Für besonders dynamisch beanspruchte Federn kann der Ventilfederstahldraht Oteva 70 VDSiCR die geeignete Wahl sein, er ist auf hohe Wechselfestigkeit ausgelegt.

Neben dem eigentlichen Federwerkstoff können zusätzliche Oberflächenbehandlungen wichtig sein. Organische und anorganische Beschichtungen verbessern je nach Ausführung den Korrosionsschutz, die Gleiteigenschaften, die elektrische Isolation oder die optische Kennzeichnung.

Tabelle 5: Federwerkstoffe und ihr Einsatz

Erst die Funktion klären, dann im Lagerprogramm suchen

Im ersten Schritt wird die Funktion definiert: Sollen Druckkräfte, Zugkräfte oder ein Drehmoment erzeugt werden? Danach folgen die Bauraummasse und die gewünschten Federkräfte mit den Federwegen oder Federlängen. Zum Schluss kommen Werkstoff und Umgebungseinflüsse, eine mögliche Führung durch einen Dorn und gegebenenfalls eine dynamische Belastung.

Bei Standardanforderungen lohnt sich der Blick in das Lagerprogramm von Gutekunst Federn. Es umfasst 12603 Federbaugrössen: Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern in Federstahl EN 10270-1 und Edelstahl 1.4310, direkt ab Lager. Über federnshop.com, die Federberechnung WinFSB und den CAD-Daten-Generator lassen sich passende Federn recherchieren, berechnen und konstruktiv einbinden.

Passt keine Standardfeder, kann eine individuelle Metallfeder ausgelegt und gefertigt werden. Gutekunst Federn produziert kundenspezifische Federn bis 12 mm Drahtstärke, in Kleinmengen wie in Grossserien. Für Konstrukteure und technische Einkäufer ist das interessant, wenn spezielle Kraftverläufe, besondere Werkstoffe, enge Toleranzen oder definierte Lebensdaueranforderungen gefordert sind.

Mit den ausgelegten Federdaten direkt im Katalog suchen

Sind Funktion, Bauraum, Kräfte, Federwege, Belastungsart und Werkstoff klar definiert, werden die Federdaten auf federnshop.com unter «Produkte» im Auswahlmenü der jeweiligen Federnart eingegeben und die Suche gestartet. Für die meisten Anwendungen findet sich im Federnkatalog von Gutekunst eine passende Metallfeder. Falls nicht, lassen sich die gewünschten Federdaten über den Link «Aus Suchvorgaben eine Anfrage erstellen» direkt an Gutekunst senden.