Linearfedern

Technische Federn: neu interpretiert

| Autor / Redakteur: Christoph Hasenstab, B.Sc., RTHW Aachen / Bernhard Richter

Das Konzept der Linearfeder ist bereits als sogenannte Federstegkupplung bekannt und bewährt.
Das Konzept der Linearfeder ist bereits als sogenannte Federstegkupplung bekannt und bewährt. (Bild: Ulrich Roth / RWTH Aachen)

Die Federsteifigkeit von Linearfedern wird für jede Anwendung individuell berechnet. Damit bieten sie völlig neue Möglichkeiten bei der Funktionsintegration.

Es gibt wenige Hersteller von Federn, die von den etablierten Konzepten abweichen, die schon seit hunderten von Jahren bekannt sind. Zwar werden Federn durch präzisere Auslegung, neue Werkstoffe und effizientere Fertigungsmethoden leistungsfähiger und preisgünstiger, jedoch gibt es bei den bestehenden Bauformen Grenzen der Anpassungsfähigkeit, welche die Eigenschaften stark limitieren. Ebenso sind Teller- und Schrauben- bzw. Spiralfedern oftmals nicht optimal für die dynamischen Belastungen ausgelegt, sodass Ermüdungen zu veränderten mechanischen Eigenschaften führen. Mit der Linearfeder kommt eine Feder auf den Markt, die nicht wie gewohnt in normierten Baugrößen lieferbar sein wird, sondern speziell für jede Anwendung entwickelt. Dabei wird die Struktur so gewählt, dass sie die mechanischen Anforderungen perfekt erfüllt und gleichzeitig eine möglichst lange Lebensdauer ermöglicht. Das Konzept der Linearfederist bereits aus der Kupplungsindustrie als sogenannte Federstegkupplung bekannt und bewährt.

Ideal bei axialer Druckbelastung

Diese Art von Wellenkupplungen bietet aufgrund von symmetrisch angeordneten Einfräsungen sehr gute Eigenschaften bei axialer Druckbelastung. Damit besitzt diese Struktur hervorragende Voraussetzungen für den Einsatz als Druckfeder. Jedoch ist es damit nicht getan, einen Zylinder um den Umfang verteilt einzufräsen: Die besondere Herausforderung liegt in der Anordnung und Dimensionierung der Schlitze, welche die spätere Federsteifigkeit festlegen. Dabei greifen verschiedene Parameter ineinander und ergeben ein Gesamtbild.

Dank des Aufbaus der Feder, welcher schematisch als eine Reihen- und Parallelschaltung von Balkenelementen gesehen werden kann, gibt es sehr klare Spannungsverhältnisse während der Belastung. Im Gegensatz zu Schraubenfedern wird durch die Druckbelastung keine ungewollte Torsion ausgeübt. Dabei bietet die Linearfeder über den gesamten Federweg ein proportionales, also lineares Verhältnis zwischen Kraft und Weg.

Präzise Federsteifigkeit

Da jede Feder spezifisch für die jeweilige Anwendung ausgelegt wird, kann die gewünschte Federsteifigkeit sehr genau vorbestimmt werden. Bei dieser Auslegung werden die Entwickler von neuartigen Berechnungsalgorithmen unterstützt, welche eigens dafür in einer Forschungsarbeit an der RWTH Aachen entwickelt wurden.

Bauteilentwicklung trifft auf Genetik

Um eine passende Feder zu finden, könnte man nun empirisch verschiedene Designs ausprobieren, gegebenenfalls in einer FEM-Simulation testen und anschließend auf einem Prüfstand das reale Bauteilverhalten überprüfen.

Dank der die entwickelten Berechnungsalgorithmen kann die Feder hingegen rechnergestützt ausgelegt werden: Damit die Federsteifigkeit exakt erreicht wird und gleichzeitig die Bauteilbelastungen möglichst gering bleiben, werden Tausende von möglichen Varianten verglichen und automatisiert stetig weiterentwickelt. Dabei kommt eine spezielle Optimierung zum Einsatz, die sehr effizient nach den Regeln der biologischen Vererbung vorgeht: Bei dieser Methode werden nur die besten Lösungen weiterentwickelt und somit immer weiter einem Optimum angenähert. Dieser Vorgang wird wiederum an modernste FEM-Tools angebunden, sodass eine präzise Bewertung der einzelnen Lösungen innerhalb kürzester Zeit möglich ist.

Erhöhte Lebensdauer

Ein weiterer positiver Effekt, der mit der präzisen Auslegung der Federn einhergeht, ist die gesteigerte Lebenserwartung der Federn. Da die jeweilige Feder genau auf die spätere Belastung der Anwendung ausgelegt ist, kann die gewünschte Lebenserwartung als eine Zielgröße in die Berechnung eingehen. Aus diesem Grund kann ein ermüdungsfreies Bauteilverhalten über lange Standzeiten garantiert werden. In Simulationen und praktischen Tests, bestätigte sich diese Überlegenheit im Vergleich zu ähnlich dimensionierten Schraubenfedern oder Tellerfederpaketen deutlich.

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Minimierte Energieverluste

Wird eine Druckfeder belastet, wird kinetische Energie im Bauteil gespeichert. Durch äußere Reibung der Lagerflächen und innere Reibung im Material, wird bei diesem Vorgang ein Teil der eingebrachten Energie zum Beispiel in Wärme gewandelt. Man spricht von Hysterese. Diese Energie kann bei anschließender Entlastung leider nicht wieder in Form von kinetischer Energie an das System abgegeben werden. Es entsteht also ein Energieverlust. Dieser Verlust sollte möglichst geringgehalten werden.

Vergleicht man eine Parallelschaltung von Tellerfedern mit der Linearfeder, fällt ein deutlich geringeres Hystereseverhalten auf. Das liegt vor allem an der geringeren Reibung innerhalb des Bauteils sowie an den Auflageflächen der Feder. Das bedeutet in der Praxis, dass die Linearfeder dazu dienen kann, Energieverluste, Verschleiß und Wärmeentwicklung zu minimieren.

Da bereits ab Stückzahl 1 eine Entwicklung und Produktion der Linearfeder möglich ist, können Kunden darüber hinaus ein spezielles Material wählen. Dabei ist lediglich zu beachten, dass die gewünschte Federsteifigkeit von dem jeweils ausgewählten Material abhängt. Durch die flexible Struktur ist allerdings eine sehr viel größere Anpassungsfähigkeit der Federsteifigkeit bei gleichen Außenabmaßen möglich, als bei Schrauben- oder Tellerfedern.

Ein Pluspunkt der Linearfeder ist, dass sie bei axialer Belastung keine ungewollte Torsion erfährt.
Ein Pluspunkt der Linearfeder ist, dass sie bei axialer Belastung keine ungewollte Torsion erfährt. (Bild: Ulrich Roth / RWTH Aachen)

Schraubenfedern, Tellerfedern, Ringfedern nahezu alle Druckfedern auf dem Markt haben eines gemeinsam: Sie weisen eine zylindrische Außengeometrie auf.

Die Linearfeder ist eine der wenigen Federn, die unabhängig von der jeweiligen Kontur funktioniert. Das bedeutet, eine Feder mit Vierkantaußenprofil ist ebenso umsetzbar wie eine Feder mit hexagonalem Profil. Auch Sonderformen wie Ellipsen oder speziell an den Einbauraum angepasste Formen stellen keine Herausforderung für diese Federart dar. Diese Flexibilität ist bislang bei Druckfedern von dieser Qualität absolut einmalig.

Funktionsintegration

Die erwähnte Flexibilität bezüglich der Geometrie hat einen weiteren entscheidenden Vorteil: Die Feder kann direkt passende Aufnahmen erhalten, sodass zusätzliche Bauteile entfallen. Es ist zum Beispiel möglich, Gewindeanbindungen, Kegelanschlüsse oder Flanschanbindungen direkt an der Feder anzubringen. Dadurch können in der Entwicklung von Baugruppen zahlreiche Bauteile weggelassen werden. Das spart nicht nur Gewicht, sondern auch Bauraum und reduziert unnötige Kontaktflächen.

Diese vielfältigen Eigenschaften machen die Linearfeder für eine Vielzahl von Branchen und für tausende mögliche Anwendungen zu einer sehr interessanten Alternative. (br)

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