Handbuch Federn ^ und Gestaltung im Maschinenund Gerätebau

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1 Handbuch Federn ^ und Gestaltung im Maschinenund Gerätebau Dr.-Ing. habil. Manfred Meissner Dipl.-Ing. Klaus Wanke 2., bearbeitete Auflage Verlag Technik GmbH Berlin München

2 Inhaltsverzeichnis 1. Überblick Historische Entwicklung der Federntechnik Bedeutung, Wesen und Einsatzgebiete der Federn Einteilung der Federn Anforderungen an Berechnung und Auswahl von Federn Anforderungen an die Gestaltung der Federn Literatur Werkstoffe für Federn Werkstoffauswahl und Anforderungen Gesichtspunkte für die Werkstoffauswahl Einteilung und Verarbeitung Anforderungen an Federwerkstoffe Werkstoffarten Federstähle Patentiert gezogener Federstahldraht Vergütete Drähte Warmgewalzte bzw. kaltgezogene Drähte und Stäbe für vergütete Federn Federstahlbänder Nichtrostende Federstähle Nichteisenmetalle Kupfer- und Berylliumlegierungen Sonderlegierungen Nichtmetalle Werkstoffbeanspruchung Zeitlicher Verlauf der Beanspruchung Beanspruchungsgrenzen Zulässige Spannungen bei Metallfedern Bei statischen und quasistatischen Beanspruchungen Bei dynamischen Beanspruchungen Einflüsse auf das Federungsverhalten von Metallfedern Entstehen und Wirken von Eigenspannungen Entstehung von Eigenspannungen bei der Kaltumformung des Halbzeugs zu Federn Erzeugen von Eigenspannungen Abbau von Eigenspannungen Berücksichtigungen von Eigenspannungen beim Entwurf Kriechen und Relaxation Einfluß der Arbeitstemperatur Verhalten von metallischen Federwerkstoffen bei erhöhten Arbeitstemperaturen Verhalten bei tieferen Temperaturen 53

3 Inhaltsverzeichnis Temperaturabhängigkeit des E- und G-Moduls Einflüsse von Werkstoffehlern und Oberflächenfehlern Literatur Herstellung von Metallfedern Kaltformgebung Herstellung des Federkörpers von Schraubenfedern Besonderheiten der Zugfederherstellung Drehfederherstellung Formfedern aus Draht und Band Fertigung von Spiralfedern Warmformgebung Schleifen und Entgraten von Schraubenfederenden Wärmebehandlung Vergüten von Federstählen Anlassen, Altern bzw. Aushärten von Federn aus federharten Werkstoffen Vorsetzen Q 3.6. Randschichtverfestigung Mechanische Verfestigungsverfahren Verfestigung durch Wärmebehandlung Korrosionsschutz durch Oberflächenbehandlung Oxydieren und Phosphatieren Metallüberzüge Lacküberzüge Kunststoffüberzüge Forderungen an eine fertigungsgerechte Gestaltung Literatur Grundlagen des Federentwurfs Ziel des Federentwurfs Federungsverhalten, Federkennlinie Federdiagramm Kennlinienverlauf Federsteife (Federrate) und Federarbeit Hysterese und Kriechen Nutzwerte Federberechnung Ziel und Anliegen der Federberechnung Zeitliche Belastungsverläufe Berechnungsablauf bei statischen Beanspruchungen Berechnungsablauf bei dynamischen Beanspruchungen Allgemeiner Ablauf Feder unter periodisch-sinusförmig verlaufender Belastung Feder unter Stoßbelastung AA. Erfassung der Spannungsverteilung über der Federlänge Anwendung der Finite-Elemente-Methode Federsysteme Charakterisierung Parallelschaltung von Federn 104

4 8 Inhaltsverzeichnis Reihenschaltung von Federn Kraftmomentbelastete Federparallelschaltung Literatur Metallfedern Zug- und druckbeanspruchte Federn Zugstabfedern Ringfeder Biegebeanspruchte Federn (Biegefedern) Gerade Biegefedern Blattfedern mit konstantem Querschnitt Blattfedern mit veränderlichem Querschnitt Geschichtete Blattfedern Unterstützte Blattfedern Gekrümmte Biegefedern Gekrümmte Blattfedern Flachformfedern Drahtformfedern Gewundene Biegefedern Spiralfedern Drehfedern (Schenkelfedern) Scheiben- und plattenförmige Biegefedern Tellerfedern Federscheiben und Wellfedern Membranfedern (Plattenfedern) Bimetallfedern (Thermobimetalle) Aufbau Berechnung Anwendung Torsionsbeanspruchte Federn (Verdrehfedern) Drehstabfedern Schraubendruckfedern zylindrischer Form Aufbau und Eigenschaften Berechnung statisch belasteter Druckfedern Knickung und Querfederung Druckfedern mit rechteckigem Drahtquerschnitt Berechnung von Federsätzen Berechnung bei schwingender Beanspruchung Schraubenzugfedern zylindrischer Form Aufbau und Eigenschaften Berechnung bei statischer Belastung Schwingfestigkeit von Zugfedern Schraubenfedersonderformen Aufbau und Eigenschaften Zylindrische Schraubendruckfedern mit veränderlichem Stabdurchmesser Zylindrische Schraubendruckfedern mit inkonstanter Windungssteigung Schraubendruckfedern nichtzylindrischer Form Mehrdrahtfedern Kegeldruckfedern aus Band Federkennlinie und Eigenfrequenz Literatur 225

5 Inhaltsverzeichnis 9 6. Nichtmetallfedern Gummifedern Eigenschaften Beanspruchungen Berechnungen Anwendungen Kunststoff-Federn Eigenschaften Federn aus Thermo- und Duroplasten Elastomerfedern Glas- und Keramikfedern Gas- und Flüssigkeitsfedern Eigenschaften Gasfedern Flüssigkeitsfedern Konstruktion und Anwendung Federn durch Magnetwirkungen Literatur Federn in speziellen Anwendungen Federn als Kontaktbauelemente Anforderungen Einsatz als Kontaktblattfeder-Schalter Auswirkungen von Toleranzen an Kontaktblattfeder-Schaltern Kontaktfederjustierung durch elastisch-plastisches Biegen Einsatz in Steckverbindern und Schleifkontakten Federn und Anordnungen für konstante Kräfte und Momente Federn mit Gleichkraff'-Verhalten Anordnungen zum Kraft- bzw. Momentenausgleich Lagerungen mit Federn Torsionsbänder Federgelenke und Federführungen Federantriebe Allgemeine Grundlagen Schraubenfederantriebe Dynamische Modelle Grundlagen zur Dimensionierung Drehfederantriebe Dynamische Modelle Grundlagen zur Dimensionierung Blattfederantriebe Dynamische Modelle Grundlagen zur Dimensionierung Literatur Berechnungshilfen und Federoptimierung Berechnungshilfen Einsatzziele Tabellen, Normen, Vordrucke Grafische Hilfsmittel 281

6 10 Inhaltsverzeichnis Rechenschieber Datenverarbeitungstechnik Federoptimierung Optimierungsanliegen Optimierungsgrundlagen Vorgehensweise Optimierungsziele bei Federberechnungen Optimierungsverfahren Grundbeziehungen zur Federoptimierung Blattfedern Schraubendruckfedern Rechnereinsatz Literatur Prüfung der Federn Toleranzen Prüfung der Federkennwerte (statisch) Kurzzeit-Prüfung Langzeit-Prüfung Prüfung der Lebensdauer Werkstoffprüfungen Literatur Anhang Sachwörterverzeichnis 320