Definition Was sind Tellerfedern?

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Unter den technischen Federn nimmt die Tellerfeder aufgrund ihrer Geometrie eine Sonderstellung ein, kann sie doch auf kleinstem Raum beziehungsweise mit einem geringen Federweg sehr hohe Kräfte aufnehmen. Was sonst macht sie besonders, welche Vor- und Nachteile hat sie – und was hat eine Stadt in Frankreich damit zu tun?

Eine Tellerfeder ist eine konische Ringschale, die in Achsrichtung belastbar ist und hierbei sowohl ruhend als auch schwingend beansprucht werden kann. Wie alle in der Technik verwendeten Federn, ist sie ein Bauteil, das sich unter Belastung gezielt verformt und bei Entlastung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt und somit einen Energiespeicher darstellt.

Tellerfedern werden auch als Belleville-Federscheiben bezeichnet. Der Begriff leitet sich aus der französischen Stadt Belleville-sur-Meuse in der Nähe von Verdun ab, in der diese Federart erstmals industriell gefertigt wurde. Durch ihre charakteristische Form sind Tellerfedern außerdem als konische Federscheiben bekannt.

Wo werden Tellerfedern eingesetzt?

Die Anwendungsfelder von Tellerfedern sind äußerst breit gefächert. Sie werden überall dort benötigt, wo bei Konstruktionen viel Kraft notwendig ist, aber nur wenig Platz zur Verfügung steht. Sie kommen u. a. zum Einsatz

• in vielen Maschinen und Anlagen, etwa in Ventilen, zur Sicherung von Bauteilen im Maschinenbau, sowie Werkzeugen

• in verschiedensten Fahrzeugen, z. B. in Stoßdämpfern

• in Hebezeugen und Fördermitteln sowie

• in der Mess- und Regeltechnik

• und schließlich als Schraubensicherungen.

Zu den wohl am weitesten verbreiteten Formen gehören die geschlitzten Tellerfedern.

Wie lassen sich Tellerfedern kombinieren?

Tellerfedern können als Einzelfeder oder als Federpakete sowie Federsäulen genutzt werden. Bei einem Federpaket werden die einzelnen Tellerfedern gleichsinnig geschichtet (Parallelschaltung). Bei Federsäulen erfolgt indes eine wechselsinnige Schichtung der Einzelfedern (Hintereinanderschaltung). Federsäulen lassen sich außerdem auch durch eine wechselsinnige Schichtung von Federpaketen realisieren.

Bei einer gleichsinnigen Schichtung werden die Federkräfte addiert, wodurch bei gleichem Federweg mehr Kraft benötigt wird. Bei einer wechselsinnigen Schichtung addieren sich hingegen die Federwege. Hierdurch wird bei gleichbleibender Federkraft der Federweg erhöht.

Metallfedern

Federwerkstoffe richtig auswählen

Mit Tellerfedern gleicher Größe kann daher durch die nahezu beliebigen Kombinationsmöglichkeiten die sogenannte Federkennlinie innerhalb weiter Grenzen variiert werden, was sich entscheidend auf die Eigenschaften der jeweiligen Lösung auswirkt. Diese Kennlinie dient der Charakterisierung von Federn und beschreibt den Zusammenhang von Verformungsweg und Kraft. Die Kennlinie kann hierbei linear (Verformung und Kraft sind proportional zueinander), progressiv (Kraft steigt überproportional mit der Verformung an) oder degressiv (mit zunehmender Einfederung nimmt die Federkraft ab, z. B. bei Tellerfedern in Säulenform) sein.

Wie werden Tellerfedern eingeteilt?

Nach DIN 2093 werden Tellerfedern in drei Maßreihen gemäß der Tellerdicke (t) eingeteilt.

• Maßreihe 1: Tellerfedern mit t < 1,25 mm

• Maßreihe 2: Tellerfedern mit 1,25 mm ≤ t ≤ 6 mm

• Maßreihe 3: Tellerfedern mit 6 mm < t ≤ 14 mm

Wie wird eine Tellerfeder hergestellt?

Die Fertigung von Tellerfedern wird vor allem durch das Rohmaterial und der jeweiligen Maßreihe bestimmt:

• Tellerfedern der Maßreihe 1 lassen sich relativ schnell produzieren, da es sich um ein Massenfertigungsverfahren handelt. Sie werden aus Bandmaterial gestanzt bzw. feingeschnitten.

• Die Fertigung von Tellerfedern der Maßreihen 2 und 3 ist vergleichsweise aufwändiger, da sie aus Rund- bzw. Vollmaterial geschmiedet (Warm- und Kaltumformung) oder aus Bandmaterial gestanzt bzw. feingeschnitten und anschließend gedreht werden müssen.

Alle Federn werden nach dem Stanzen bzw. Drehen vergütet. Anschließend erfolgt das sogenannte Vorsetzen. Hierbei wird jede Feder nach einer Wärmebehandlung mindestens einmal plattgedrückt, wodurch sich deren Bauhöhe verringert. Aufgrund der plastischen Verformung entstehen Zugeigenspannungen, die den Lastspannungen, die bei den nachfolgenden Belastungen auftreten, entgegenwirken. Hierdurch werden Spannungsspitzen abgebaut, wodurch sich eine weitere plastische Verformung der Tellerfeder bei späteren Belastungen vermeiden lässt.

Nach dem Vorsetzen erfolgt abschließend die Qualitätskontrolle.¹

Federn

Eine kurze Geschichte der Metallfeder

Welche Vorteile haben Tellerfedern?

Tellerfedern haben eine ganze Reihe an Vorteilen. Wie bereits eingangs betont, können sie auf kleinem Einbauraum bzw. bei kurzem Federweg sehr große Kräfte aufnehmen. Durch die rotationssymmetrische Form erfolgt die Kraftübertragung absolut konzentrisch.

Die Federkennlinie kann je nach Maßverhältnissen linear oder degressiv und durch die geeignete Kombination von Federn auch progressiv gestaltet werden. Durch die fast beliebigen Kombinationsmöglichkeiten von einzelnen Tellerfedern lässt sich die Kennlinie bzw. die Säulenlänge zudem variieren.

Ist eine Tellerfeder für eine spezifische Anwendung richtig dimensioniert, hat sie selbst bei dynamischer Belastung eine hohe Lebensdauer. Last, but not least, lässt sich durch eine geeignete Federanordnung eine große Dämpfung erreichen.

Welche Nachteile haben Tellerfedern?

Allerdings gibt es auch einige, wenn auch wenige Nachteile. So ist die Produktion von Tellerfedern mit einem hohen Material- und Arbeitsaufwand verbunden, weil u.a. die Außen- sowie Innenkanten spanabhebend bearbeitet und gerundet werden müssen.

Ist für eine Anwendung eine hohe Anzahl an geschichteter Tellerfedern erforderlich, kann das mitunter zu einem hohen Montageaufwand führen.

Durch die ungünstige Kornstruktur des Werkstoffs (Bandmaterial oder Schmiederohlinge) sind Federbrüche unter Belastung möglich. Zur Vorbeugung sind daher teilweise kostenintensive Maßnahmen wie z. B. eine Wärmebehandlung, das Vorsetzen oder gegebenenfalls auch ein Kugelstrahlen erforderlich.^{2, 3}

Anbieter von Tellerfedern

• AB Federn

• ACI D&N Rabourdin

• Airloc

• ATV Springs

• bighead Bonding Fasteners

• Christian Bauer Precision Solutions

• Febrotec

• Ganter Norm

• Hoffmann Group

• Lee Spring

• Lesjöfors Springs

• Norelem

• Prodan

• Schnorr Disc Spring Engineering

• Schweizer

• Sodemann

• Spirol

• Ziller Präzisionsfedern

Bei der Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen:

Wikipedia; Spirol; Sodemann Federn; Der Lehrerfreund; AB Federn; Hoffmann Group; Lee Spring; Christian Bauer

¹Die Tellerfeder im Griff, Adolf Schnorr GmbH & Co. KG, Sindelfingen, 2004

²Tellerfedern – Theorie und Praxis, „Das Produkt aus Kraft mal Weg“, Christian Bauer GmbH + Co. KG, Welzheim

³Analyse der Tellerfeder auf Eignung zum Stützelement für ein Vakuumlärmschutz, Torsten Fedkenheuer, Masterarbeit Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Fakultät Technik und Informatik, 2013

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