301 17 Elastische Federn Von ideal-elastischen Federn wird gesprochen, wenn die zugeführte Arbeit zu 100% in potenzielle Energie verwandelt wird (der Anteil der in Wärme übergehenden mechanischen Arbeit gleich null ist) und bei der Rückverformung vollständig wieder abgegeben werden kann. Insbesondere metallische Werkstoffe zeigen vom Prinzip her ein Materialverhalten, das diesem Ideal mit guter Näherung entspricht. Metallfedern spielen aus diesem Grunde im Maschinenbau eine dominierende Rolle. Solche Metallfedern sind Thema dieses Kapitels. Die Einteilung von elastischen Federn kann nach verschiedenen Kriterien erfolgen. So kann man Federn nach dem verwendeten Werkstoff (Metallfedern, Gummifedern, Kunststoff-Federn etc.), nach ihrer Gestalt (Blattfedern, Tellerfedern, Schraubenfedern etc.) oder auch nach der Art ihrer Beanspruchung (Zugfedern, Druckfedern, Drehfedern, Biegefedern etc.) unterscheiden. Im Folgenden werden die Federn zunächst entsprechend ihrer Gestalt sortiert vorgestellt. Bei gleicher bzw. ähnlicher Gestalt wird dann weiter nach der Beanspruchung untergliedert. Im Folgenden wird an den in der Praxis am häufigsten auftretenden elastischen Federn die Systematik der Darstellung gezeigt. Diese Systematik kann auch auf andere hier nicht näher beschriebenen elastischen Federn übertragen werden. 17.1 Schraubenfedern Die Schraubenfeder ist auf nahezu allen Anwendungsgebieten die bei weitem am häufigsten verwendete elastische Feder. Die Schraubenfeder besteht aus einem Federdraht, der meistens einen konstant großen und runden Querschnitt aufweist, der schraubenlinienförmig und um einen in der Regel zylindrischen Dorn gewickelt ist. Die Schraubenfedern können unterschiedlichen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Diese Beanspruchungen sind Druck, Zug und Verdrehung. Auf diese wird im Folgenden einzeln eingegangen. 17.1.1 Schraubendruckfedern Bild 17-1 zeigt die nach DIN ISO 2162 genormte bildliche und sinnbildliche Darstellung einer zylindrischen Schraubendruckfeder. Wie zu erkennen ist, werden Ansichten und Schnitte von Schraubenfedern in der bildlichen Darstellung üblicherweise abgebrochen gezeichnet. Das heißt, in der Regel werden nur die beiden ersten und die beiden letzten Windungen explizit dargestellt. Strichpunktlinien deuten dazwischen die Federdrahtmitten an. Üblich sind im Maschinenbau rechtsgewickelte Federn (wie auch in Bild 17-1 dargestellt). Linksgewickelte Federn sind durch die Angabe linksgewickelt gesondert zu kennzeichnen. Um bei Schraubendruckfedern eine möglichst störungsfreie axiale Krafteinleitung und Federauflage sicherzustellen, wird erstens an der Federenden die Steigung des Federdrahtes bis zum Anliegen im letzten Windungsbereich vermindert und zweitens werden die Federenden plangeschliffen. Beide Federenden sollten sich, versetzt um 180, gegenüberliegen.
302 17 Elastische Federn Bild 17-1 Darstellung einer zylindrischen Schraubendruckfeder; a) dreidimensionale Darstellung; b) Ansicht; c) Schnitt; d) vereinfacht Wegen ihrer weiten Verbreitung sind zylindrische Schraubendruckfedern aus runden Federdrähten genormt. Je nach Fertigungsverfahren sind die Abmessungen der Schraubendruckfedern in DIN 2095, DIN 2096 oder DIN 2098 zu finden. Darin sind jedem Federdrahtdurchmesser mehrere verschiedene Windungsdurchmesser und Federlängen zugeordnet. Daneben sind weitere Größen gegeben, die zur Auslegung der Feder notwendig sind, wie z. B. die Prüfkraft, die Länge der unbelasteten Feder oder der größte zulässige Federweg. 17.1.2 Schraubenzugfedern Für Schraubenzugfedern gilt in weiten Bereichen das Gleiche wie für Schraubendruckfedern. Auch hier werden Ansichten und Schnitte in der bildlichen Darstellung nach DIN ISO 2162 üblicherweise abgebrochen gezeichnet. Strichpunktlinien deuten dazwischen die Federdrahtmitten an, so dass auch ein veränderlicher Querschnitt leicht angedeutet werden kann, Bild 17-2. Bild 17-2 Darstellung einer zylindrischen Schraubenzugfeder; a) dreidimensionale Darstellung; b) Ansicht, c) Schnitt; d) vereinfacht Schraubenzugfedern sind nach DIN 2097 genormt. Eine zentrische Kraftübertragung wird durch eine geeignete Umformung der Federenden zu Ösen sichergestellt. Gelegentlich werden auch andere Elemente, wie z. B. Gewindestopfen, als Anschlusselemente genutzt. Auch bei Schraubenzugfedern sind rechtsgewickelte Federn üblich und linksgewickelte Federn müssen explizit als solche gekennzeichnet werden.
17.1 Schraubenfedern 303 17.1.3 Schraubendrehfedern Schraubendrehfedern (manchmal auch Torsionsfedern genannt) sind nach DIN 2194 genormt. Sie haben im Wesentlichen dieselbe Form wie Schraubendruck- oder -zugfedern. Die Enden dieser Federn sind allerdings als Schenkel nach Außen gebogen, so dass z. B. über einen Bolzen eine Verdrehung der Federenden eingeleitet werden kann. Dabei entscheidet die Stelle hinter dem Komma bei der Anzahl der Windungen über die Stellung dieser Schenkel zueinander. In Bild 17-3 ist z. B. eine Schraubendrehfeder mit einer Windungszahl n + 0,25 dargestellt. Bild 17-3 Darstellung einer Schraubendrehfeder; a) dreidimensionale Darstellung; b) Ansicht, c) Schnitt; d) vereinfacht In Bild 17-4 ist ein Anwendungsbeispiel für eine Schraubendrehfeder gezeigt. Hierin ist gut zu erkennen, dass die Federenden durchaus als Sonderformen ausgebildet sein können, weil diese auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sind. Bild 17-4 Anwendungsbeispiel für eine Schraubendrehfeder: Andrückfeder für eine Sperrklinke [RoMa07]
304 17 Elastische Federn 17.1.4 Sonderformen Neben den zylindrischen Schraubenfedern existieren noch weitere Sonderformen, auf die im Folgenden kurz eingegangen werden soll. Die Variationsmöglichkeiten sind sehr vielfältig. Zum einen kann die Grundform der Feder verändert werden von der Standardform Zylinder hin zu Kegel-, Tonnen- oder Taillenfeder. Diese Variationen betreffen die Gesamtform und können in der vereinfachten Ansicht dargestellt werden, wie Bild 17-5 auch zeigt. Darüber hinaus kann aber auch der Querschnitt des Drahtes verändert werden von rund, quadratisch über rechteckig hochkant / flachkant etc. Eine weitere Variationsmöglichkeit bietet die Änderung des Drahtquerschnittes innerhalb einer Feder, wie in Bild 17-5 b) zeigt. Diese Variationen können in der vereinfachten Ansicht nicht mehr dargestellt werden und müssen separat an geeigneter Stelle beschrieben sein. a) b) Bild 17-5 Beispiele für Sonderformen von Schraubenfedern und ihre vereinfachte Darstellung; a) Kegelstumpffeder mit konstanten Drahtquerschnitt; b) Tonnenfeder mit veränderlichem Drahtquerschnitt 17.2 Tellerfedern Die Tellerfedern sind nach DIN 2093 genormt. Danach werden unterschiedliche Härtegrade und nach den verschiedenen Fertigungsverfahren auch weitere Formen. Die nach DIN 2093 genormten Abmessungen werden von den Herstellern der Tellerfedern durch zahlreiche Zwischengrößen erweitert. An dieser Stelle lohnt sich daher auch ein Blick in den Herstellerkatalog. Möglichkeiten der Darstellung von Tellerfedern zeigt Bild 17-6. Bild 17-6 Darstellung von geschichteten Tellerfedern; a) dreidimensionale Darstellung; b) Ansicht, c) Schnitt; d) vereinfacht
17.3 Blattfedern 305 Nach DIN ISO 2162-1 können Tellerfedern in Ansicht, im Schnitt oder vereinfacht (sinnbildlich) dargestellt werden. a) b) c) Bild 17-7 Tellerfedersäule aus 16 Einzeltellern; a) dreidimensionale Darstellung; b) Darstellung als Ansicht; c) Darstellung im Schnitt Die Schichtung mehrerer Tellerfedern zu Paketen, Säulen oder einer Kombination von Paketen zu Säulen, siehe Bild 17-7, erlaubt eine Vielzahl von Einsatzgebieten. Die gleichsinnige Schichtung von Tellerfedern wird als Paket, die gegensinnige Anordnung der Tellerfedern als Säule bezeichnet. 17.3 Blattfedern Blattfedern, die zu den Biegefedern zählen, werden häufig im Fahrzeugbau verwendet. Einzeln können Blattfedern als Andrückelemente von Schiebern oder Ankern Verwendung finden. Doch meistens werden in der Praxis Blattfedern in geschichteter Form angewendet, Bild 17-8. Diese Schichtung hat ihre Begründung in der mechanischen Belastung. Die Normung hängt stark vom Einsatzgebiet ab, für Schienenfahrzeuge z. B. nach DIN 5542. Geschichtete Blattfedern sind in der Regel durch Klammern gekoppelt oder durch Bügel, Sicken oder Rippen gegen seitliche Verschiebung gesichert. Eine Darstellung in vereinfachter Form kommt sehr selten vor, weshalb sie hier nicht berücksichtigt wird. a) b) Bild 17-8 Geschichtete Blattfeder; a) dreidimensionale Darstellung; b) Ansichten