Tellerfeder. GERÄTEELEMENTE Prof. Dr. Redlich

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1 GERÄTEELEMENTE 1 n Federn-Allgemein Federn werden in allen Bereichen der Technik, insbesondere des Maschinen- und Gerätebaus, für die unterschiedlichsten Aufgaben eingesetzt. Obwohl sie im Verhältnis zum Gerät oder zur Maschine als kleines und als billiges Bauelement anzusehen sind, bewirkt ihr Ausfall oder die Störung ihrer Funktion oft das Versagen der gesamten technischen Einrichtung. Die zahlreichen, verschiedenen Aufgaben für deren Realisierung Federn eingesetzt werden, bedingen eine Vielzahl von Federarten und -formen. Der verwendeten Werkstoffart entsprechend wird zwischen Metallfedern und Federn aus Nichtmetallen unterschieden. Vor dem Konstrukteur steht die Aufgabe die für die geforderte Funktion bestgeeignete Feder auszuwählen. Dabei sind sowohl Entscheidungen bezüglich der Federart, der Form und Abmessungen, der Federbefestigung, des Federwerkstoffs und auch der Fertigungsmöglichkeiten zu fällen. Grundlagen n n bestehen aus kegelförmig geformten Ringscheiben, die aus Federband ausgeschnitten werden. Ihre Belastung erfolgt axial. Sie zeichnen sich durch eine relativ große Federsteife aus. Die Einzelfedern können in vielfältiger Weise kombiniert und geschichtet und damit die Federsteife beeinflußt werden. (1./Seite 157) n werden bis zu einer Dicke von 6 mm aus Kaltband ausgeschnitten, die Stirnflächen überdreht (um die Schneidrisse zu beseitigen) und danach umgeformt. Dickere n werden aus Warmband oder Schmiedestücken durch spanende Formung hergestellt. Um eine formideale Kegelschale zu erreichen, sind für das Vergüten verzugsempfindlicher n Härtepressen oder Spanneinrichtungen beim Anlassen notwendig. Die Qualität von n, insbesondere von solchen, die als Einzelteller zum Einsatz kommen hängt in entscheidendem Maße von der Formgenauigkeit ab. (1./Seite 70) Den zweckmäßigsten Korrosionsschutz erzielt man bei Federn durch den Einsatz von korrosionsbeständigen Federwerkstoffen. Aus technischen und ökonomischen Gründen werden Federn häufig oberflächenbeschichtet. Für einige Federn, z.b. n, hat sich das mechanische Plattieren mit Zink oder Aluminium (auch als Kugelplattieren oder Rotalyt-Coat-Verfahren bezeichnet) bewährt. Unter Nutzung mechanischer Kräfte werden Zn- oder Al- Überzüge durch Behandeln von Federn mit Glaskugeln, feinstem Metallpulver und Prozeßchemikalien in einer rotierenden Trommel erzeugt. Diese Überzüge sind dicht, schlagfest und chromatierbar. (1./Seite 87) HÄUSSERMANN Technische Informationen images/fig1.gif Bild 1: bezeichnungen Beispiel: Bezeichnung einer mit D = 200mm, Di = 160 mm, s = 2,5 mm: 200 x 160 x 2,5 Federkennlinien Keine Federart bietet solche Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Federkennlinie (Kraft-Weg-Kennlinie) wie die. Aus der linearen und bei entsprechender Schichtung progressiven Kennlinien können mit ihr als einziger Federart auch degressive und sogar negative Kraft-Weg-Kurven verwirklicht werden. Damit ist die ein vielseitiges Bauelement und oft die einzige Möglichkeit zur Bewältigung eines Federproblems.

2 2 GERÄTEELEMENTE images/fig2.gif Bild 2: Variationsmöglichkeiten der Federkennlinie (schematisch) Der Verlauf der Federkennlinie kann in weiten Grenzen durch einfache Änderung des Verhältnisses von lichter Höhe h zur Materialstärke s beeinflußt werden, also entweder durch Änderung der Aufstellung h bei gleichbleibender Materialstärke s (siehe Bild 3) oder durch Änderung der Stärke s bei gleichbleibender Aufstellung h (siehe Bild 4). Dabei zeigt der Wendepunkt der Kennlinie die Planlage der Feder an. Er liegt in 3 und 4 jeweils im Schnittpunkt der gestrichelten Linie mit den Federkennlinien. Den beiden Bildern wurde als Beispiel die 200x160x2,5 zugrunde gelegt. images/fig3.gif Bild 3: Verlauf der Federkennlinie als Funktion von h/s, wobei s = const

3 GERÄTEELEMENTE 3 images/fig4.gif Bild 4: Verlauf der Federkennlinie als Funktion von h/s, wobei h =const Bild 5 zeigt ebenfalls den Einfluß des Verhältnisses h/s auf die Federkennlinie. Dabei ist jedoch die jeweilige Federkraft P auf die Federkraft der plangedrückten Feder Pf = h und der Federweg f auf die lichte Höhe h, das ist der Federweg bis zur Planlage, bezogen. Damit läßt sich aus diesem Diagramm für jede beliebige anhand des gewünschten Kennlinienverlaufs das entsprechende h/s ermitteln. Beispiel für eine Aufgabe: Eine soll im Kennlinien-Maximum ungefähr den 1,3fachen Druck der Planlage erreichen. Ergebnis: h/s = 2. Oder: Bei welchem Federweg erreicht eine mit h/s = 2 ihr Kraftminimum? Ergebnis: bei f ~ 1,4 h. Es ergibt sich für ein teilweiser waagerechter Druckverlauf images/form1_1.gif und Minimum ein ausgeprägtes Druckmaximum und -minimum mit negativem Druckverlauf zwischen Maximum images/form1_2.gif ein Überschnappen der Feder im Minimum, d. h. es muß eine der anfänglichen Kraft entgegengesetzte Kraft aufgebracht werden, um die Feder in die Ausgangslage zurückzubringen images/form1_3.gif

4 4 GERÄTEELEMENTE images/fig5.gif Bild 5: Kennlinienschar der bei Variation von h/s Kennlinien von kombinationen Bei Mehrfachschichtung, d. h. gleichsinniger Schichtung mehrerer Einzelfedern, addieren sich die Federkräfte, bei Einfachschichtung, d. h. wechselsinniger Aneinanderreihung mehrerer Einzelfedern, addieren sich die Federwege. Bei Einfachschichtung können die Einzelfedern höchstens bis zur Planlage durchgedrückt werden images/fig6.gif Bild 6: Kennlinien verschiedener kombinationen (schematisch, ohne Berücksichtigung der Reibung

5 GERÄTEELEMENTE 5 Durch bestimmte Anordnung der Einzelteller (siehe Bild 7) lassen sich auch Federsäulen mit progressiver Kennlinie zusammenstellen. images/fig7.gif Bild 7: säule mit progressiver Kennlinie (schematisch, ohne Berücksichtigung der Reibung) Normtellerfedern Die Normreihe dieser n ist festgelegt in DIN2093 und wird ergänzt durch die Werksnormen verschiedener Hersteller. Aufgenommen sind Außendurchmesser von 8,0 bis 250 mm. Bei den Federn der Reihe A ist h/s ~ 0,4, bei denen der Reihe B ist h/s ~ 0,75. Annähernd lineare Kennlinie, große Federkräfte bei kleinem Federweg, also hartes Federverhalten. Ausgelegt für eine Durchdrückung höchstens bis zur Planlage. Praktisch ist der verfügbare Federweg jedoch auf max. 0,75 h beschränkt, da die auf der Unterlage abwälzt, was eine stetige Hebelarmverkürzung und damit überproportionales Ansteigen der Federkraft zur Folge hat (siehe Bild 8). Relativ begrenzte dynamische Belastbarkeit. Das Wechselfestigkeitsschaubild, welches für die kritische Zugspannung am unteren Außenrand der Feder in das Diagramm des Bildes 8 eingetragen ist, zeigt die dynamische Belastbarkeit der Feder B 90 DIN2093.

6 6 GERÄTEELEMENTE images/fig8.gif Bild 8: Abmessungen und Kennlinie der Normtellerfeder B 90 DlN Da der verfügbare Federweg der Einzelfeder meist nicht ausreicht, ist man gezwungen, wechselsinnig geschichtete säulen zu bilden. Die Vergrößerung der Federkraft läßt sich durch gleichsinniges Schichten erreichen. Merkmale geschichteter Normtellerfedern (Federsäulen) Hohe Kräfte bei entsprechend hoher axialer, jedoch geringer radialer Ausdehnung des Bauelements. Hohe Dämpfung (Reibung) besonders bei gleichsinniger Schichtung, wo mit zunehmender Federzahl die Reibung progressiv ansteigt. Die Reibung tritt hauptsächlich zwischen den Federn sowie an der Säulenführung auf und erhöht je nach Anzahl und Schichtung die Kräfte beim Belasten und vermindert sie beim Entlasten (siehe Bild 9). Die Dämpfungseigenschaften von Federsäulen werden in erster Linie zum Auffangen stoßartiger Belastungen ausgenutzt, wo das genaue Einhalten eines vorgeschriebenen Druckverlaufs nicht notwendig ist.

7 GERÄTEELEMENTE 7 images/fig9.gif Bild 9: Einfluß der Reibung (Dämpfung) auf den Kennlinien Folgende Eigenschaften begrenzen die Einsatzmöglichkeiten der Normtellerfedern: Federkennlinie: Es stehen nur wenige, fast lineare Kennlinien zur Verfügung. Alle Normtellerfedern besitzen ein mehr oder weniger hartes Federverhalten. Federweg: Der Federweg der Einzelfeder ist relativ gering und zudem nur bis f ~ 0,75 h ausnutzbar. Zur Erreichung größerer Federwege ist Mehrfachschichtung notwendig. Damit ergeben sich mehr oder weniger hohe Baulängen und eine entsprechende Dämpfung. Dämpfung: Die Dämpfung in der Federsäule verhindert genaues Einhalten vorgeschriebener Druckverläufe. Wechselfestigkeit: Spürbares Absinken der Wechselfestigkeit bei mehr als 6 einzelgeschichteten Federn sowie bei Mehrfachschichtung.

8 8 GERÄTEELEMENTE Dynamische Beanspruchung von n Dynamisch hochbeanspruchte Federn werden bei HÄUSSERMANN grundsätzlich aus speziell erschmolzenem Edelstahl (Elektrogüte) mit eingeengtem S- und P- Bereich gefertigt, sorgfältig vergütet und kugelgestrahlt. Zur Erzielung der gewünschten Lebensdauer ist darüber hinaus die Einhaltung der zulässigen Beanspruchung wesentlich. An der Oberseite der treten bei Belastung Druckspannungen, an der Unterseite Zugspannungen auf. Bei der ungeschlitzten ist die gefährdete Stelle der untere Außenrand. Er wird daher bei dynamisch hochbeanspruchten Federn meist gerundet. Bei geschlitzten n tritt die Kerbwirkung des Übergangs der Zungen in den -Ring hinzu. Sie wird bei HÄUSSERMANN-n durch das Anbringen von ovalen Löchern (HÄUSSERMANN- Entwicklung) entscheidend herabgesetzt. Wie ausgedehnte Untersuchungen an der TU München bewiesen haben, führt das ovale Loch gegenüber anderen Lochformen zu einer erheblichen Verlängerung der Lebensdauer. Das Anprägen des unteren Lochrandes dient dem gleichen Zweck. Weitere Maßnahmen zur Herabsetzung der Beanspruchung: Vergrößerung des Außendurchmessers bei Belassung aller übrigen Maße sowie der Kennlinienform. Verminderung der Aufstellhöhe (dabei verändert sich die Kennlinie entsprechend). Falls diese Maßnahmen nicht möglich sind, bleibt die Aufteilung der Beanspruchung auf mehrere ngleichsinnig geschichtet. Weiterhin sollten n allgemein unter Vorspannung geschwungen werden. Dabei sollte der Vorspannweg mindestens 0,15 h betragen, damit die vom Setzen der (siehe unten) herrührenden Zugeigenspannungen am oberen Innenrand ausgeglichen werden. Drehmomenübertragung mit n Mit geschlitzten n ist auch die zusätzliche Übertragung eines Drehmomentes möglich. Hierbei wird das Drehmoment vom Innenkörper über die Zungen der und aufgenietete Mitnehmerlaschen auf den Außenkörper übertragen. Von dieser Möglichkeit wird z. B. im stufenlosen, mit Zungentellerfedern ausgerüsteten PKW-Keilriemengetriebe der DAF-Variomatic Gebrauch gemacht. images/fig15a.gif images/fig15b.gif

9 GERÄTEELEMENTE 9 images/fig15c.gif Bild 15: Verschiedene Lochformen Spezialtellerfedern Als Abgrenzung zu den Normtellerfedern weisen HÄUSSERMANN-Spezialtellerfedern folgende Merkmale auf: Keine Festlegung auf bestimmte Größen und Größenverhältnisse. Damit kann jeder Kundenwunsch bezüglich Abmessungen und Auslegung der Feder individuell berücksichtigt werden. Jede gewünschte -Kennlinie realisierbar. Erweiterter Federweg durch die Möglichkeit des Durchdrückens der Feder über die Planlage hinaus auf die Gegenseite sowie durch das Anbringen von Zungen (Zungentellerfeder; -siehe unten). images/fig10.gif Bild 10: Funktionsschema einer mit erweitertem Federweg Infolge des erweiterten Federweges kann eine bei Verwendung von Normtellerfedern notwendige Schichtung (Einfachschichtung) überflüssig werden. Dadurch keine erhöhte Reibung (Dämpfung) und relativ genaues Einhalten der vorgeschriebenen Kraft-Weg-Kurve. Dauerwechselfestigkeit, je nach Auslegung der Feder, auch bei langhubigen Schwingungen weit über die Planlage hinaus. Anwendungsmöglichkeiten für HÄUSSERMANN-Spezialtellerfedern HÄUSSERMANN-Spezialtellerfedern erschließen dem Konstrukteur alle Möglichkeiten, welche die schlechthin bieten kann. Im folgenden sollen einige charakteristische Anwendungsbeispiele aufgeführt werden, bei denen die Hauptmerkmale der HÄUSSERMANN-Spezialtellerfedern - erweiterter Federweg und beliebige Federkennlinie - ausgenützt werden. HÄUSSERMANN-Spezialtellerfedern mit teilweise waagerechter Federkennlinie (h/s = 1,42) Die Möglichkeit, den Federdruck über einen je nach Wahl des Auflage-Hebelarms mehr oder weniger langen Federweg konstant zu halten, hat diesen n ein weites Anwendungsgebiet erschlossen. So werden sie z. B. eingesetzt zum: Spielausgleich von beweglichen Teilen wie Kugellager, Dichtpackungen usw. images/381a.gif

10 10 GERÄTEELEMENTE Dehnungsausgleich bei Temperaturänderungen in Schraubenverbindungen usw. images/381b.gif Ausgleich von Einbautoleranzen images/381c.gif Selbsttätigen Nachstellen bei Verschleißvorgängen in Überlast-Rutschkupplungen, Lamellenkupplungen und -bremsen, Scheibenkupplungen und -bremsen usw. images/381d.gif Die so ausgerüsteten Kupplungen erfordern bis zum Auswechseln der Reibbeläge keinerlei Nachstellarbeit und sind somit völlig wartungsfrei. Verschiedentlich werden auch in den oben beschriebenen Fällen n mit fast waagerechter Federkennlinie und einem h/s 1,3 verwendet. Hierbei ist zubeachten, daß diese Federn keinen waagerechten Kennlinienbereich besitzen, für einen maximalen Vorspann-Federweg von f max = 0,75 h ausgelegt sind und daher in den meisten Fällen mehrere Federn zur Aufbringung des notwendigen Federweges wechselsinnig geschichtet werden müssen, was zudem die Dämpfung erhöht. Dadurch ist z. B. im Falle des Verschleißausgleichs bei Kupplungen keine vollständige Wartungsfreiheit gegeben, weil auch bei geringem Belagverschleiß der Anpreßdruck sinkt und die Kupplung immer häufiger und länger durchzurutschen beginnt.

11 GERÄTEELEMENTE 11 Bild 16 zeigt den Einsatz einer mit teilweiser waagerechter Kennlinie in einer Lamellen- Rutschkupplung. Sie verleiht der Kupplung die Vorteile einer völligen Wartungsfreiheit sowie einer vereinfachten Konstruktion. images/fig16a.gif images/fig16b.gif images/fig16c.gif

12 12 GERÄTEELEMENTE Bild 16: Schnittzeichnung (schematisch) einer Lamellen-Rutschkupplung unter alternativer Verwendung von drei n mit h/s 1,3 sowie 1 HÄUSSERMANN-Spezialtellerfeder mit h/s = 1.4/1.5. in Einbaulage auf die Gegenseite durchgedrückt. HÄUSSERMANN-Spezialtellerfedern mit teiiweiser negativer Federkennlinie Am bekanntesten ist der Einsatz dieser n in Krafffahrzeug-Kupplungen. Auf diesem Gebiet hat HÄUSSERMANN in Europa Pionierarbeit geleistet und die Grundlage für die heute erfolgreichsten - Kupplungen in Pkws, Lkws und Schleppern gelegt. images/fig17a.gif images/fig17b.gif images/fig17c.gif >Bild 17: HÄUSSERMANN- mit teilweiser negativer Kennlinie für den Einsatz in Pkw-Kupplungen. Federdiagramm und Einbauskizze (schematisch)

13 GERÄTEELEMENTE 13 Wirkungsweise der in der Kfz-Kupplung: Die Zungen der geschlitzten vermindern den Ausrückkraft und bilden gleichzeitig den Hebel mit Drehpunkt in D (siehe Einbauskizze Bild 17) zur Anhebung der Druckplatte. Beim Ausrücken fällt die Kraft der im Gegensatz zur herkömmlichen Schraubendruckfeder ab (siehe Federdiagramm Bild 17), was die Pedalarbeit wesentlich erleichtert. Bei allmählichem Verschleiß des Reibbelags läßt die Federkraft nicht nach, sondern steigt an. Der weite Verschleißausgleich der macht ein Nachstellen der Kupplung überflüssig. Als weitere Vorteile der in diesem Anwendungsfall sind zu nennen: Eine geringe Baulänge der Kupplung wurde möglich. Als rotationssymmetrisches Teil erzeugt die keine Unwucht. Auch hohe Drehzahlen haben auf die Arbeit der - im Gegensatz zur Schraubenfeder - keinen Einfluß. Stufenlose Regelgetriebe sind ein weiteres Gebiet, wo HÄUSSERMANN-Spezialtellerfedern mit teilweiser negativer Kennlinie vorteilhaft eingesetzt werden. Wirkungsweise der im Regelgetriebe: Die Drehzahlregelung erfolgt manuell am Primärvariator durch Änderung des Abstandes der beiden Tellerscheibenhälften. Dabei paßt sich der Sekundärvariator durch entgegengesetzte Änderung seines Scheibenabstandes automatisch an. Hier wird der Anpreßdruck für den Keilriemen durch die geschlitzte erzeugt. Durch die Ausbildung als geschlitzte mit langen Zungen und hoher Aufstellung wird der für den weiten Verstellbereich benötigte große Federweg erreicht. Die Federkennlinie kann - wie in Bild 18 - so gewählt werden, daß im langsamen Drehzahlbereich (Stellung A) die Leistung des Variators durch Erhöhung des Keilriemen-Anpreßdruckes entsprechend zunimmt und umgekehrt (Stellung B). Auch hier ermöglicht die HÄUSSERMANN- eine kompakte und problemlose Konstruktion. Von weiteren Anwendungsfällen in Regelgetrieben sei hier nur das einzige stufenlos regelbare Keilriemengetriebe für Pkws, die DAF-Variomatic, erwähnt, deren hochbeanspruchte Zungentellerfedern von HÄUSSERMANN in Zusammenarbeit mit der Firma DAF, Eindhoven, entwickelt wurden. images/fig18a.gif images/fig18b.gif images/fig18c.gif

14 14 GERÄTEELEMENTE Bild 18: HÄUSSERMANN- mit teilweiser negativer Kennlinie für den Einsatz in Keilriemengetrieben zur stufenlosen Drehzahlregelung c)1997 HÄUSSERMANN Lamellen GmbH Weitere Anwendungsmöglichkeiten Artikel 10 Sonderausführungen In vielen Fällen werden Wälzlager als Loslager eingebaut, um zum Ausgleich von Einbautoleranzen oder Wärmedehnungen eine zwanglose Axialverschiebung zu ermöglichen. Da außerdem ein gewisses Radialspiel im Lager vorhanden sein muß, kann der Betrieb mit hohen Drehzahlen zu starken Lagergeräuschen führen. Die Praxis hat gezeigt, daß eine Verspannung der Wälzlager mit geeigneten n einen spielfreien und damit auch einen geräuscharmen Lauf bewirkt. Zugleich können durch die Fertigung bedingte Längentoleranzen in Achsrichtung durch den Einbau von n leicht ausgeglichen werden. In enger Zusammenarbeit unserer Firma mit den vereinigten Kugellagerfabriken AG in Schweinfurt (SKF) wurden für diesen besonderen Verwendungszweck größen festgelegt, deren Abmessungen konstruktionsgerecht den verschiedenen Wälzlagertypen angepaßt sind. (Siehe entsprechendetabellen S. 64,65) Sonderprospekte stellen wir Interessenten gern zur Verfügung. (2./Seite 52 ff) Artikel 11 Schraubensicherungen Sehr häufig wurden unsere n als federnde Sicherungsscheiben bei Schraubverbindungen verwendet, um ein Nachlassen der Vorspannkraft zu verhindern. Da aber hochwertige n für derartige Anwendungen zu teuer und die Außendurchmesser für die Anwendung an Schraubverbindungen meist zu groß sind, haben wir ein Sicherungselement in Form einer gerippten entwickelt. Diese Original Schnorr Sicherungsscheibe ist in ihren Durchmessern an die Schraubenmaße angepaßt. Der Außendurchmesser der Scheibe stimmt mit dem Kopfdurchmesser von Zylinderschrauben bzw. Innensechskantschrauben überein. Die Sicherungsscheibe kann also auch bei versenkten Schrauben verwendet werden. Die einzige Ausnahme stellen Senkschrauben dar. Bei diesen Schrauben können unsere Original Schnorr Sicherungsscheiben nicht verwendet werden. Durch die konische Ausführung des Schraubenkopfes liegt bei dieser Schraubenart ohnehin eine gewisse Sicherungswirkung vor. Außerdem werden diese Schrauben hauptsächlich bei kleineren Gewindedurchmessern verwendet. Unsere Original Schnorr Sicherungsscheiben haben kleine Auflageränder, die eine Spannbildung während des Anziehens der Schraube vermeiden. Erst beim Flachdrücken der Scheibe werden die Zähne in die anliegenden Flächen eingedrückt. Die normale Ausführung stellen wir für alle genormten Gewindedurchmesser von M1.6 bis M36 her. Für höhere Kräfte liefern wir eine verstärkte Ausführung VS für die am häufigsten verwendeten Gewindegrößen M5 bis M30. Für die spezielle Verwendung von hochfesten Schrauben führen wir außerdem die Original Schnorr Spannscheiben nach DIN (2./Seite 52 ff)

15 GERÄTEELEMENTE 15 Literaturübersicht: 1. Meissner/Wanke /: Handbuch Federn. Berechnung und Gestaltung im Maschinen- und Gerätebau. Berlin: Verlag Technik, Schnorr/: Handbuch für n Adolf Schnorr GmbH & Co KG Älteste Spezialfabrik für n Sindelfingen (Maichingen),1977 Anlagen: Auf der Diskette befindet sich im Ordner fed4 das Demonstrationsprogramm Fed4Demo zur berechnung.

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