Federberechnung

Beanspruchungsarten von industriellen Druckfedern

| Autor / Redakteur: Jürgen Mugrauer / Bernhard Richter

Vor der Auslegung einer Druckfeder sollte grundsätzlich geklärt werden, ob es sich bei der vorgesehenen Beanspruchungsart um eine statische bzw. quasistatische, oder um eine dynamische Beanspruchung handelt.
Vor der Auslegung einer Druckfeder sollte grundsätzlich geklärt werden, ob es sich bei der vorgesehenen Beanspruchungsart um eine statische bzw. quasistatische, oder um eine dynamische Beanspruchung handelt. (Bild: Gutekunst)

Vor der Auslegung einer Druckfeder sollte vom Konstrukteur grundsätzlich geklärt werden, um welche Art der Beanspruchung es sich für die Feder handelt. Wie das am besten geht, zeigt dieser Artikel.

Vor der Auslegung der Druckfeder sollte grundsätzlich geklärt werden, ob es sich bei der vorgesehenen Beanspruchungsart um eine statische bzw. quasistatische, oder um eine dynamische Beanspruchung handelt.

Statische bzw. quasistatische Beanspruchung

Zeitlich konstante (ruhende) Belastung, bzw. zeitlich veränderliche Belastung mit weniger als 10.000 Hüben insgesamt oder kleinen Hubspannungen bis 0,1 x Dauerhubfestigkeit (τkh = τk2 -τk1).

Dynamische Beanspruchung

Als dynamische Beanspruchung bei Federn gilt, zeitlich veränderliche Beanspruchungen mit mehr als 10.000 Lastwechseln oder Hubspannungen über 0,1 x Dauerhubfestigkeit (τkh) bei konstanter und veränderlicher Hubspannung. Dabei ist die Feder meist vorgespannt und periodischer Schwellbelastung mit sinusförmigen Verlauf ausgesetzt, die zufällig (stochastisch) erfolgt, wie z.B. bei der KFZ-Federung.

Je nach benötigter Lastspielzahl „N“ ohne Bruch differenziert man:

1. Den Bereich der Dauerfestigkeit mit Lastspielzahlen
N ≥ 107 für kaltgeformte Federn
N ≥ 2 x 106 für warmgeformte Federn
Bei Hubspannung kleiner als Dauerhubfestigkeit.

Schwingungsschaubild Druckfeder dynamisch
Schwingungsschaubild Druckfeder dynamisch (Bild: Gutekunst)

2. Den Bereich der Zeitfestigkeit mit Lastspielzahlen
N < 107 für kaltgeformte Federn
N < 2 x 106 für warmgeformte Federn

Bei Hubspannung größer als Dauerhubfestigkeit und kleiner als Zeithubfestigkeit.


Die vorhandene Schubspannung wird wie folgt ermittelt:


Beschreibung Formelzeichen Druckfedern

Für dynamische beanspruchte Druckfedern gilt wegen der entstehenden Spannungserhöhung die korrigierte Schubspannung. Mit dem Spannungskorrekturfaktor k, der vom Wickelverhältnis (Verhältnis von mittlerem Durchmesser zur Drahtstärke) der Feder abhängt, kann die höchste Spannung annähernd ermittelt werden.

Korrigierte Schubspannung:

τk1 = k · τ1 ≤ τko

τk2 = k · τ2 ≤ τko

wobei für k gilt (nach Bergsträsser)


Die zulässige Oberspannung τko wird je Federwerkstofftyp aus dem Dauerfestigkeitsschaubild (Goodman-Diagramm) aus der DIN EN 13906-1 (Bild 12 bis Bild 22) herausgelesen.

Der gewünschte Arbeitshub darf die Dauerhubfestigkeit (τkh) nicht überschreiten:

τkh = τk2 – τk1 ≤ τkhzul

Mit dem Gutekunst Federnberechnungsprogramm WinFSB kann jede berechnete Druckfeder auch für den dynamischen Anwendungsfall berechnet werden. Dazu muss man nur die Option „dauerfest“ und „kugelgestrahlt“ aktivieren . Die dynamischen Werte und das Goodman-Diagramm werden dann unter dem Bereich „Beanspruchung“ angezeigt.

Goodman-Diagramm WinFSB dauerfest
Goodman-Diagramm WinFSB dauerfest (Bild: Gutekunst)

Goodman-Diagramm nicht dauerfest
Goodman-Diagramm nicht dauerfest (Bild: Gutekunst)

Wichtig

Um die Spannungsüberlagerung durch Eigenschwingungen des Federkörpers bei dynamisch beanspruchten Druckfeder zu berücksichtigen, sollte auch die Blockspannung τczul überprüft werden.

Dynamisch beanspruchte Druckfedern sollten vor dem Einsatz kugelgestrahlt werden. Durch das kugelstrahlen werden die Randschichten der Oberfläche verdichtet, so dass eine wesentlich bessere Dauerhubfestigkeit erreicht wird.

Für die Dauerfestigkeit einer Druckfeder eignen sich besonders für mittlere dynamische Anwendungen der normale Federstahldraht EN 10270-1DH und SH, sowie für hohe dynamische Anwendungen die Ventilfederdrähte EN 10270-2-VDC, -VDSiCr, und –VDCrV.

Sobald Korrosion oder Reibung durch Dorn oder Hülse auf die Druckfeder einwirkt, ist die Dauerfestigkeit nicht mehr gewährleistet.

Sprengring, Federstecker und Sicherungsklammer richtig wählen

Sicherungselemente

Sprengring, Federstecker und Sicherungsklammer richtig wählen

06.08.18 - Sicherungselemente sind unscheinbare Maschinenkomponenten, die in fast jeder Konstruktion zu finden sind. Die formschlüssigen Bauteile schützen und begrenzen als Führungselemente andere Maschinenteile gegen axiales Spiel. Welche passt für meine Anwendung? lesen

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45718702 / Konstruktionsbauteile)