Federn. Schwerpunkte: Überblick, Klassifizierung nach Art der Belastung des Federwerkstoffes Literaturübersicht. 1. Einleitung

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1 1 Schwerpunkte: Überblick, Klassifizierung nach Art der Belastung des Federwerkstoffes Literaturübersicht 1. Einleitung Im Bereich der Elektrotechnik / Feinwerktechnik werden unterschiedlichster Art für unterschiedlichste Aufgaben eingesetzt. Es gibt wohl kaum ein Gerät, in dem nicht einer kleinen Feder eine besondere Aufgabe zukommt, und sei es zur Rückstellung des Einschaltknopfes am PC. Es kann schon vorkommen, dass für den Benutzer des Gerätes nicht augenscheinlich sind, weil in diesem Zusammenhang immer an mechanische Antriebe oder an Dämpfung gedacht wird, welche ja im PC keine Rolle spielen. Der Begriff Mechanik wird dabei oft mit älteren Techniken in Verbindung gebracht und mechanische Baugruppen wie CD-Laufwerk oder Diskettenlaufwerk genauso gerne übersehen wie der Einsatz von als Rückstellglied (z.b. im Schalter) oder generell als Kontaktfeder sowie als Kraftelement (z.b. beim Diskettenlaufwerk). In einer Zeit, in der die Technik immer kleinere Ausmaße annimmt, in der alles kompakter und kleiner wird, kommen auf mechanische Baugruppen wie besondere Anforderungen zu. Teilweise müssen aus Gründen der Platzeinsparung verschiedene Aufgaben von ein dem selben Bauelement übernommen werden, so daß die einzelnen Aufgaben oft nicht auf den ersten Blick erkennbar sind.

2 2 2.Einteilung Die Einteilung von kann in mehreren Gesichtspunkten erfolgen. Sie werden charakterisiert durch die Art des Federwerkstoffen, die Art der Beanspruchung, das Funktionsprinzip oder durch das Einsatzgebiet. 2.1 Funktionsprinzip Im Funktionsprinzip der werden im wesentlichen 3 Arten unterschieden: reversible Energieumwandlung Aufnehmen, Speichern und Abgeben mechanischer Energie Transport von mechanischer Energie irreversible Energieumwandlung Umwandeln mechanischer Energie in Wärmeenergie durch Reibung 2.2 Einteilung nach Art und Beanspruchung des Federwerkstoff Zunächst werden die nach dem Aggregatzustand des Federwerkstoffes unterteilt in Festkörperfedern, Flüssigkeitsfedern und Gasfedern. Festkörperfedern werden nochmals unterteilt in Metallfedern und Nichtmetallfedern. Metallfedern sind in der Technik am häufigsten anzutreffen. Das liegt zu einem daran, dass sie mechanisch hoch belastbar sind und sie als außerdem leitfähige Materialien (zum Beispiel bei Kontaktfedern) mehrere Funktionen auf einmal übernehmen können. Die Werkstoffe von Metallfedern unterscheiden sich in ihrem Einsatzgebiet. Während in der Mechanik vorwiegend elastische Stähle anzutreffen sind, verwendet man für als Kontaktelemente elastische Nichtmetalllegierungen, vorwiegend auf Kupferbasis. Dieser Werkstoff in Verbindung mit Legierungskomponenten weist gute elastische Eigenschaften auf und ist zudem ein hervorragender elektrischer Leiter. Bei Nichtmetallfedern greift man zum größten Teil auf elastische Kunststoffe zurück, insbesondere auf Gummi in den verschiedensten Variationen. Diese Kunststoffe können schon in der Herstellung ihrem Verwendungszweck angepasst werden und bieten eine große Auswahl für die verschiedensten Einsatzgebiete. Der Vorteil von Kunststoffen als Federwerkstoff liegt bei speziellen Anwendungen zum Beispiel in den Isolationsfähigkeit der Werkstoffe gegenüber Elektrischer - und Wärmeenergie, Unempfindlichkeit gegenüber Korrosion sowie den nichtmagnetischen Eigenschaften der Kunststoffe im Vorteil zu Eisen und Stahl. Beschränkt werden die Einsatzmöglichkeiten der Kunststoffe durch einen geringen Temperaturbereich mit elastischen Eigenschaften sowie geringerer mechanischer Beanspruchbarkeit im Vergleich zu Metallfedern. Das Wirkprinzip bei Kunststofffedern beruht in der Aufnahme mechanischer Energie durch Druck - oder Schubverformung. Pflanzliche Federwerkstoffe wie Holz oder Bambus waren zwar die ersten Werkstoffe für diesen Zweck, spielen aber heute in der Industrie keine Rolle mehr. Sie finden aber noch heute Verwendung als Federwerkstoffe bei Naturvölkern, zum Beispiel bei Tierfallen oder bei Pfeil und Bogen.

3 3 Bei Gasfedern liegt das Wirkprinzip im Aufnehmen mechanischer Energie durch Kompression gasförmiger Fluide nach der allgemeinen Zustandsgleichung n I.) p * V = const Die Beanspruchung von Festmetallfedern unterteilt sich in Verdrehung (Torsion), Biegung und Zug bzw. Druck. Diese Untergruppen werden weiter unterteilt nach den Bauformen der. Diese können dann der Tabelle entnommen werden. 2.3 Einteilung nach Arbeitsgebiet Bei der Einteilung nach Einsatzgebiet unterscheidet man zwischen folgenden Arten: Einsatz als Speicherelement Die Hauptaufgabe der Feder als Speicherelement ist die Speicherung von Energie. Beispiele dafür sind Aufzugsfedern in mechanischen Antrieben Schwingungs - und Dämpfungselement Zum Beispiel Achsfedern bei Fahrzeugen, Pufferfedern, Unruhfedern in mechanischen Uhren Messelement Nutzung der Proportionalität zwischen Kraft und Verformungsweg Ruheelemente mit Aufgaben der Kraftverteilung, des Kraft - und Wegeausgleichs, der Erzeugung von Vorspannkräften sowie der Realisierung von Rückstellkräften Lagerelemente bei denen die Biege - und Verdrehelastizität des Werkstoffes für die Bewegung innerhalb eines begrenzten Bereiches ausgenutzt wird. (Federgelenke, Federführungen, Spannbandlagerung von Drehspulen)

4 4 3. Einsatz in elektrotechnischen und feinwerktechnischen Geräten In elektrotechnischen und feinwerktechnischen Geräten sind in verschiedensten Formen und Aufgaben zu finden. Im folgenden Kapitel werden die unterschieden als Schaltelement im Punkt 3.1 sowie als mechanische Baugruppe im Punkt in elektrotechnischen Geräten In diesem Punkt wird der Einsatz der als Schaltelement beschrieben. Die Feder wirkt hierbei in ihrer Aufgabe als Ruheelement. Als Federmaterial werden vorwiegend metallische Nichteisenwerkstoffe, hauptsächlich Kupferlegierungen, eingesetzt Überblick a) Kontaktfeder Zum Einsatz kommen zum größten Teil Blattfedern mit Rechteckquerschnitt als Kontakt - und Kontaktträgerelemente. Relais des Types NSF 30 mit vier Umschaltern a) vereinfachte Darstellung b) Federsatz des Relais Während ein Federende fest eingespannt wird, trägt das freie Ende ein Kontaktstück. Der Kontaktwerkstoff wird auf Biegung beansprucht ) Steckverbinder Sie haben die Aufgabe, elektrische, elektronische und elektromechanische Baugruppen elektrisch und mechanisch a) Steckverbinder b) Kontaktfedern im Gehäuse c,d) weitere Kontaktfedern zuverlässig miteinander zu verbinden. Ihr Einsatzgebiet liegt im Gerätetechnischen Bereichen der Elektronik-, Nachrichten- und Datenverarbeitungstechnik eingesetzt, besonders da, wo Baugruppen oder Bauelemente aus fertigungs -, prüf - oder wartungstechnischen Gründen leicht auswechselbar zu befestigen sind.

5 5 c) Schleifkontakt Sie werden vorwiegend in elektrischen Bauelementen mit gefiederte Kontaktfeder eines Miniaturschichtpotentiometer veränderlichen Widerständen (Potientiometern, Schiebewiderstände) oder Induktivitäten (Selltransformatoren) eingesetzt. Die Kontaktfedern stellen dabei die elektrische Verbindung direkt oder über ein Kontaktstück her. Die Vorzüge des Einsatzes von Kontaktstücken liegen in einem geringeren Übergangswiderstandes, guter Korrosionsbeständigkeit sowie ein geringerer Verschleiß der Kontaktpartner. besondere Formen der Kontaktfeder d) Torsionsbänder Torsionsbänder finden Anwendung in der Lagerung von Messspulen in elektrischen Messgeräten Beispiele Lagerung von Messgerätespulen mit

6 6 3.2 in feinwerktechnischen Geräten Überblick a) Lagerung und Führung Hierzu zählt der Einsatz der als Rückholfeder, Andruckfeder, Federgelenke sowie Federführungen. a) einfache Blattfeder b) Bsp. für Federeinspannungen Federgelenke werden mit beidseitig fest eingespannten Biegefedern aus Draht- oder wegen der besseren Einspannmöglichkeiten aus Bandstahl hergestellt. In wenigen Fällen werden auch Schraubenfedern verwendet. Sie sind spielfrei und reibungsarm und weder aus diesen Gründen vorwiegend im messtechnischen Gerätebau eingesetzt. Das Rückstellmoment ist erfassbar. Es ist eine Funktion des Scherwinkels ϕ, der in seiner Größe allerdings beschränkt ist. Andruckfedern einer Justiereinrichtung Nachteilig ist auch die Tatsache, dass die Bewegung des Biegefedergelenks keine Bewegung um einen festen Drehpunkt darstellt. Federgelenke werden zur Lagerung von Pendeln in der Uhrentechnik und im Waagenbau verwendet. Federführungen sind in sich geschlossene Baugruppen, in denen ein zu führendes Bauteil über mehrere elastische Elemente (Federgelenke) mit einem anderen Bauteil verbunden sind. Infolge der elastischen Kopplung sind die Bauteile relativ zueinander beweglich. Federführungen nutzen die Vorteile der Federgelenke wie Reibungsarmut, Wartungsfreiheit, Spielfreiheit und geringer Verschleiß und haben eine sehr breite Verwendung vor allem im Messgerätebau gefunden. Zum Einsatz gelangen sowohl Kreuzfeder-, Doppelfeder- als auch einfache Federgelenke. Neben Blattfedern eignen sich auch Membranfedern als elastische Elemente in Federführungen. In Piezoaktoren wirken Feder mit scheibenförmigen Bauelementen aus bestimmten kristallinen Keramikwerkstoffen (Piezokeramik) zusammen. Sie Piezokeramikscheiben erzeugen bei mechanischem Druck eine elektrische Ladung (Piezoeffekt). Der Vorgang ist

7 7 reversibel und kann im Verbund mit für Antriebsaufgaben genutzt werden. Piezoelektrische Aktoren sind bei fachgerechter Dimensionierung, entsprechender Gestaltung und Handhabung in der Lage, Stellwege von 1 bis 200 mm und Stellkräfte bis in der Kilo Newtonbereich zu realisieren. b) Antrieb Die Aufgabe der Feder als Antriebselement besteht darin, als Energiespeicher - und wandler zu wirken und die zur Bewegungserzeugung notwendige Energie bereitzustellen. In dieser Funktion dienen sie vielfach dem Antrieb kontinuierlicher bewegter Teile, u.a. in Laufwerken von Uhren, Registriereinrichtungen und Filmgeräten. Verbreiteter aber ist ihr Einsatz in diskontinuierlich arbeitenden Antrieben. Diese Anwendung verdanken sie vor allem ihrer Eigenschaft, relativ viel Energie auf kleinem Raum zu speichern und zu einem beliebig wählbaren Zeitpunkt bedarfsgesteuert in kurzer Zeit und mit hoher Geschwindigkeit abgeben zu können. Zum Einsatz kommen Schraubenfederantriebe, Drehfederantriebe sowie Blattfederantriebe. c) Messtechnische Aufgaben Der Messtechnische Gerätebau ist als eigenständiges Bourdon-Rohrfeder zum Druckmessen a) Rohrfeder b)rohrquerschnitt c) Prinzip der Messwertanzeige im Bourdon-Manometer Fachgebiet der Feinwerktechnik zuzuordnen. Mechanische Bauteilbeanspruchungen infolge des Einwirkens von Kräften und Momenten lassen sich beispielsweise nur durch ihre Wirkungen in Form von Längenänderungen (Dehnungen) bestimmen. Alle messtechnischen Einrichtungen zur Erfassung von Kräften und Momenten sowie von Dehnungen enthalten demzufolge sogenannte Verformungskörper als Prinzip eines seismischen Aufnehmers (links) zur Kaft- und Dehnungsbestimmung (rechts) funktionsrelevante Bauelemente. Diese Verformungskörper sind im weitesten Sinne. In der Kraft - und Dehnungsmesstechnik werden am häufigsten Blattfedern, Membranfedern, Drehstabfedern und

8 8 Schraubenfedern verwendet. Zur Erfassung der Drücke von Gasen und Flüssigkeiten wird seit langer Zeit die Rohrfeder nach Bourdon eingesetzt. In der Schwingungsmessung werden seismische Aufnehmer verwendet, die ein Feder - Masse - Dämpfungs - System enthalten Beispiele 4. Literaturübersicht Meissner / Wanke Handbuch Verlag Technik Berlin 1988 Pahl / Beitz Konstruktionslehre Springer-Verlag Berlin...4. Auflage 1997 Meissner / Schorcht Metallfedern Springer-Verlag Berlin 1997 Steinhilper / Röper Maschinen - und Konstruktionselemente 3 Springer-Verlag Berlin 1994 Phoenix-Contact-Kataslog 11-98