Feder (Technik)

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Schraubenfeder eines Kugelschreibers (Schraubendruckfeder)
Schraubenzugfeder

Als Feder bezeichnet man in der Technik Bauteile, die unter Belastung nachgeben und nach Entlastung in die ursprüngliche Gestalt zurückkehren, sich also elastisch rückstellend verhalten.

Geschichte[Bearbeiten]

Bügelschere aus Trabzon, Türkei, ca. 2. Jh. n. Chr.

Einfache ungewundene Federn, wie bspw. der Bogen, wurden von den Menschen bereits in urgeschichtlichen Tagen verwendet. Im Bronzezeitalter kamen entwickeltere Federmechanismen auf, wie sich anhand der Verbreitung der Pinzette in vielen Kulturen zeigen lässt. Ctesibius von Alexandrien entwickelte eine Methode zur Herstellung von Bronze mit federelastischen Eigenschaften, indem er die Bronze zu einer Legierung mit einem erhöhten Anteil an Zinn verarbeitete und diese nach dem Gießen durch Hämmern härtete.

Gewundene Federn finden sich seit dem frühen fünfzehnten Jahrhundert in Uhren; diese entwickelten sich von federgetriebenen Uhren mit dem Übergang zum sechzehnten Jahrhundert zu den ersten Taschenuhren. Die Spiralfeder in der Unruh von Taschenuhren wurde erstmals ab 1673 von Salomon Coster verbaut, nach einem Patent von Christiaan Huygens. Der Wechsel vom Torsionspendel zur Spiralfeder war zuvor von Jean de Hautefeuille vorgeschlagen worden.

Im Jahr 1676 entdeckte der britische Physiker Robert Hooke das der Federmechanik zugrunde liegende Prinzip, das man heute als das Hookesche Gesetz kennt, dem gemäß die von einer Feder ausgeübte Kraft sich proportional zu ihrer Längenänderung verhält.

Bauformen[Bearbeiten]

Es gibt als Maschinenelement viele unterschiedliche Bauformen: aus Draht schrauben- oder spiralförmig gewickelte oder stabförmig gestreckte oder abgeknickte Bauteile. Federnd kann auch ein eingeschlossenes Gaspolster sein.

Anwendung[Bearbeiten]

Federn dienen häufig als Speicher für potentielle Energie (Türschließer, Uhrenantriebe, Ventilfedern). Des Weiteren können sie einen Kraftschluss zwischen Bauteilen erzeugen, beispielsweise bei elastischen Kupplungen, Bremsen und Ventilen. Mit Federwaagen werden Kräfte gemessen und durch Rutschkupplungen Kräfte begrenzt. Mit Hilfe von Federn werden Maschinenteile bewegt oder Schaltkontakte geöffnet und geschlossen (Kontaktfedern in Relais). Hier erzeugen die Federn die gewünschte Rückstellkraft.

Eine weitere bedeutende Einsatzmöglichkeit ist die Abkopplung von Stößen und Schwingungen (Gummilager), wobei meist zusätzliche Bauteile dämpfend wirken. Oftmals erfolgt hierbei eine Aufteilung der Kraft auf mehrere parallel geschaltete Federn (Polsterungen, Radbelastung von Fahrzeugen). Letztlich können Federn auch Formänderungen anderer Bauteile aufnehmen, bei thermischen Längenänderungen, Verschleiß und mechanischen Verformungen.

Materialien[Bearbeiten]

Als Material werden bevorzugt spezielle Federstähle oder auch Kupfer-Beryllium-Legierungen (Berylliumkupfer) eingesetzt. Weitere mögliche Werkstoffe für Federn sind Gummi oder Gase. In den letzten Jahren werden auch häufiger Faserverbundwerkstoffe, speziell glasfaserverstärkter Kunststoff, verwendet.

Kenngrößen[Bearbeiten]

Zur Charakterisierung von Federn wird die Federkonstante (Federhärte) oder die Federkennlinie als technische Größe angegeben, welche den Zusammenhang zwischen Verformung (Weg oder Winkel) und Kraft oder Drehmoment beschreiben. Diese Kennlinie ist häufig eine lineare und verhält sich damit nach dem Hookeschen Gesetz. Weitere wichtige Kenngrößen sind Wirkungsgrad, Dämpfungsfaktor und Dämpfungswert, die über die Federarbeit definiert werden.

Federtypen[Bearbeiten]

Federn werden prinzipiell nach ihrer inneren Belastung in Torsions-, Biege-, Zug- und Gasfedern unterteilt. Die wohl bekannteste Feder, die Schraubenfeder (verwendet z.B. in Kugelschreibern), gehört in die Gruppe der Torsionsfedern. Bei ihr wird der Federdraht kaum verbogen oder gestaucht, sondern hauptsächlich verdreht.[1] Nach der Ursache für die Nachgiebigkeit von Federn unterscheidet man Form- oder Stofffedern.

Schraubenfeder[Bearbeiten]

Schraubenfedern an einem Eisenbahnwaggon-Drehgestell
Kegelfedern, auch Sprungfedern genannt
Gewundene Torsionsfeder
Diese Federbauform wird teils fälschlich als Spiralfeder (die aber mechanisch anders funktioniert) oder im allgemeinen Sprachgebrauch auch als Sprungfeder bezeichnet. Sie wird aus Federdraht zylinder-, kegel- oder tonnenförmig als sogenannte Miniblock-Feder (MBF) gewickelt. Man unterscheidet hier nach der äußeren Belastung zwischen Zug- und Druckfeder. Die Hauptbelastungsrichtung verläuft in Richtung der Federachse, wobei sich die Federenden geringfügig gegeneinander verdrehen können. Der Drahtquerschnitt wird bei Belastung auf Torsion beansprucht. Ihre Charakteristik kann durch Bereiche mit veränderlichem Drahtdurchmesser, variabler Steigung oder sich veränderndem Federdurchmesser (kegelstumpfförmige Schraubenfeder) gestaltet werden. Eine Sonderbauform ist die so genannte Kegelfeder, die aus dünnem Federband besteht und kegelförmig gewickelt ist. Wird eine Schraubenfeder auch quer zur Federachse beansprucht, dann spricht man von einer Flexicoil-Federung.
Wellenfeder
Als Wellenfeder bezeichnet man eine Sonderform der Schraubenfeder, welche besonders in Einsatzfällen mit niedrigem Einbaumaß eingesetzt wird. Auch hier verläuft die Belastung in Richtung der Federachse. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Runddraht-Druckfeder kann bis zu 50% Einbaulänge reduziert werden. Von der Bauform her ist die Feder vergleichbar mit einer mehrlagigen Tellerfeder. Es wird unterschieden zwischen einer Bauform mit flachen Enden und einer Bauform ohne flachen Enden.
Sicherheitsnadeln werden von einer Schenkelfeder unter Spannung gehalten.
Schenkelfeder
Schenkelfeder nennt man eine Schraubenfeder, die um ihre Achse auf Biegung beansprucht wird. Im Unterschied zu den Haken oder Ösen der Zugfeder endet der Federdraht typischerweise in hebelartigen Schenkeln, an denen sich das Drehmoment besser einleiten lässt. Dabei dienen Maschinenteile zur Aufnahme der Wicklung oder deren Enden oft als Gegenhalt. Zum Vermeiden von Reibung zwischen den Windungen besteht meist ein ausreichender Windungsabstand oder die Windungen berühren sich ohne Vorspannung. Wie die Spiralfeder (siehe unten) ist die Schenkelfeder eine gewundene Biegefeder. Unabhängig vom Durchmesser der Wicklung wirkt das äußere Moment auf den Federdraht als konstantes Biegemoment über die gesamte Drahtlänge der Wicklung. Die zwangsläufige Änderung des Wicklungsdurchmessers infolge der Verdrehung hat daher kaum Einfluss auf die Linearität und macht nur selten eine bifilare Ausführung erforderlich. Weit verbreitet ist die Schenkelfeder an der Wäscheklammer und am Bügel der Schlag-Mausefalle.

Torsionsfeder oder Drehstabfeder[Bearbeiten]

Hauptartikel: Drehstabfeder
Gerade Torsionsfeder
Stäbe, Drähte oder Bänder mit fester Einspannung an beiden Enden, wobei die befestigten Bauteile gegeneinander eine Schwenkbewegung um die Federachse ausführen. Die mechanische Beanspruchung findet durch ein tangential zur Federachse angreifendes Drehmoment statt. Die besonders aus dem Fahrzeugbau bekannten Torsionsfedern bestehen meist aus massiven Rundstäben oder Paketen von flachen Bändern aus Federstahl. Sie werden oft Drehstabfeder oder Torsionsstab genannt. Ihre Federkennlinie verläuft linear, weshalb sie im Fahrzeugbau mit einer dementsprechenden Aufhängungskinematik verbaut werden, um die Eigenfrequenz auch für den beladenen Zustand konstant zu halten.

Biegefeder[Bearbeiten]

Spiralfeder und schwingende Unruh

Spiralfeder mit Drehmomentbelastung[Bearbeiten]

Spiralfeder mit Drehmomentbelastung (nicht zu verwechseln mit der Schraubenfeder) ist eine eben gewundene Biegefeder. Spiralfedern werden als in einer Ebene spiralförmig aufgewickeltes Metallband gefertigt. Sie werden beispielsweise bei Kinderspielzeugen, die sich aufziehen lassen, und im Modellbau eingesetzt, wo sie als mechanischer Energiespeicher (Federmotor) dienen. In mechanischen Uhren waren sie lange Zeit als Antrieb und als Teil der Unruh unverzichtbar.

Membranfeder[Bearbeiten]

Membranfeder in einer Fahrzeugkupplung

Membranfedern sind dünne elastische Platten, meist kreisförmig, die umlaufend am Rand gelagert sind. Typische Anwendung in Kupplungen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Blattfeder[Bearbeiten]

Blattfeder an der Hinterachse eines LKW
Schichtung Blattfeder

Sie besteht meist aus flach-rechteckigen Profil aus Federstahl, das bogenförmig vorgespannt wird, und wird vor allem im Nutzfahrzeugbau sowie bei Güterwagen eingesetzt. Rechteckige Blattfedern konstanter Dicke würden jedoch das Material nicht gut ausnutzen; besser geeignet wäre eine dreieckige oder trapezförmige Form, bei der die Biegespannungen über die Federlänge konstant bleiben. Derartige Federn sind selten, weil sie teuer herzustellen sind und viel Platz brauchen, daher werden statt einer breiten, trapezförmigen Feder mehrere gleich breite Blätter (Federlagen) mit verschiedenen Längen und Vorspannungen verwendet, die übereinander zu einem Federpaket geschichtet sind, das durch einen gemeinsamen Herzbolzen und Federklemmen zusammengehalten wird. Die Blattreibung zwischen den Enden der Lagen durch die Längenänderung beim Einfedern bewirkt eine Eigendämpfung;[2] durch eingelegte Kunststoffblättchen oder Schmierung mit Fett kann diese vermindert werden. Parabelfedern sind Blattfedern (meist auch aus Stahl) mit nur einer Federlage, deren Stärke zu den Enden hin abnimmt. Sie nutzen das Material etwas besser aus als geschichtete Blattfedern. Federn aus glasfaserverstärktem Kunststoff werden mit konstanter Querschnittsfläche als Hyperbelfedern ausgeführt: zu den Enden hin nimmt die Breite zu und die Höhe ab. Auch so lässt sich eine gleichmäßige Materialbeanspruchung über die Länge der Feder erreichen.

Tellerfeder[Bearbeiten]

Sechs Tellerfedern in Reihenschaltung
Je drei Tellerfedern in Parallelschaltung (insgesamt Reihenschaltung)

Unter einer Tellerfeder versteht man eine kegelige Ringschale, die in Achsrichtung belastbar ist und sowohl ruhend als auch schwingend beansprucht werden kann. Die Krafteinleitung erfolgt normalerweise über den oberen Innenrand und den unteren Außenrand.

Die Tellerfeder kann als Einzelfeder oder als Federsäule verwendet werden. In einer Säule können entweder einzelne Tellerfedern oder aus mehreren Federn bestehende Federpakete wechselsinnig geschichtet werden.

Vorteile
  • Die Tellerfeder hat im Vergleich mit anderen Federarten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften
    • Sie kann bei kleinem Einbauraum sehr große Kräfte aufnehmen.
    • Ihre Federkennlinie kann je nach den Maßverhältnissen linear oder degressiv sein und durch geeignete Anordnung auch progressiv (steigend) gestaltet werden.
    • Durch die fast beliebige Kombinationsmöglichkeit von Einzeltellerfedern kann die Kennlinie durch die Säulenlänge innerhalb weiter Grenzen variiert werden.
    • Hohe Lebensdauer bei dynamischer Belastung, wenn die Feder richtig dimensioniert ist.
Werkstoffe
Federstähle, auch nichtrostend und warmfest, Kupfer- (CuSn 8, CuBe 2) und Nickel-Legierungen (Nimonic, Inconel, Duratherm) sowie faserverstärkte Kunststoffe (FVK) für spezielle Anforderungen.
Herstellung
Bei kleinen Stückzahlen können Tellerfedern auch aus Bandmaterial gelasert werden. Damit Tellerfedern überhaupt ihre Federeigenschaften (hohe Zähigkeit bei hoher Festigkeit) erhalten, werden Federn aus üblichen Federstählen wärmebehandelt (vergütet) oder aus federhartem Werkstoff gefertigt (Gruppe 1 aus Bandmaterial). Nach DIN 2093 muss die Härte zwischen 42 und 52 HRC liegen. Nach DIN 2093 werden 3 Fertigungsgruppen unterschieden:
  • Gruppe 1. Tellerfedern mit Tellerdicke < 1,25 mm: gestanzt oder feingeschnitten aus Bandmaterial
  • Gruppe 2. Tellerfedern mit Tellerdicke von 1,25 bis 6 mm: gestanzt oder feingeschnitten. Bei gestanzten Tellerfedern werden Innen- und Außendurchmesser nach dem Stanzen gedreht, um Stanzriefen (Kerbempfindlichkeit!) zu entfernen.
  • Gruppe 3. Tellerfedern mit Tellerdicke über 6 mm: aus warmgeformten Platinen, die Oberfläche wird komplett gedreht.
Normen
  • DIN 2092 Tellerfedern, Berechnung
  • DIN 2093 Tellerfedern, Maße und Qualitätsanforderungen
Anwendungsbeispiele
in Kfz-Kupplungen zur Begrenzung des Drehmoments, in Kraftwerk-Armaturen zur Vorspannung, in Scheibenbremsen als Rückstellfedern, Sonder-Tellerfedern, Tellerfedern für Kugellager zum Spielausgleich

Luftfeder[Bearbeiten]

Hauptartikel: Luftfederung
Schnittdarstellung einer Luftfeder mit Schlauchrollbalg

Luftfedern finden vor allem bei LKW, Bussen und Schienenfahrzeugen Anwendung. Sie erlauben unter anderem eine Niveauregulierung, d. h. dass das Fahrzeug auch bei unterschiedlichen Beladungszuständen die gleiche Bodenfreiheit beibehält. Es kann auch gezielt eine Veränderung der Niveaulage der Fahrzeuge eingestellt werden, um bei Bussen den Einstieg zu erleichtern oder um ein Überfahren von Hindernissen zu ermöglichen (Geländefahrzeuge).

Bei Schienenfahrzeugen werden Luftfedern bei Fahrzeugen mit hohen Komfort- und Akustikanforderungen wie im Hochgeschwindigkeitsverkehr, im Nahverkehr (S-Bahnen), bei Triebfahrzeugen und bei U-Bahnen, die hohe Zuladungen aufnehmen müssen, eingesetzt. Die Luftfedersysteme werden über eine mechanische Hebelsteuerung niveaureguliert, so dass bei jeder Beladung ein niveaugleicher Übergang vom Fahrzeug zum Bahnsteig gewährleistet werden kann.

Vereinzelt wurden Luftfedern schon in den 1960er Jahren in PKW eingesetzt, beispielsweise in Borgward und Mercedes, konnten sich aber auf Grund der Kosten und Problemen mit der Druckdichtheit damals nicht durchsetzen. Erst heute werden Luftfedern zunehmend auch in der Ober- und Mittelklasse von PKW eingesetzt, mit dem Vorteil eines höheren Fahrkomforts. Durch die Eigenschaften der Luftfederung ist die Aufbaueigenfrequenz eines Fahrzeugs weitgehend beladungsunabhängig.

Luftfedern in Straßenfahrzeugen werden in zwei Formen gebaut.

Luftfeder mit konstantem Volumen in Regellage
Hier ist die Luft typischerweise in einem Rollbalg eingeschlossen, der mit weiteren Beschlagteilen wie Deckel und Abrollkolben luftdicht verbunden ist. Der Rollbalg ist über den Kolben gestülpt und rollt unter Druck auf diesem ab. Die Luftfeder wird durch einen Kompressor mit Druckluft versorgt. Abhängig von der Beladung wird Luft zu- oder abgepumpt, um das Füllvolumen und somit die Niveaulage des Fahrzeugs konstant zu halten. In Schienenfahrzeugen gibt es unterschiedliche Bauformen wie Gürtelbälge oder Halbrollbälge. Der Balg ist hier auf eine Gummifeder, der sogenannten Notfeder, aufgesetzt, die bei Ausfall der Luftfederung noch eine gewisse Federwirkung gewährleistet. Den höchsten Komfortgewinn erzielt die Luftfeder in Verbindung mit einem adaptiven Dämpfungssystem. Das Druckniveau liegt in Normallage bei ca. 5 bis 12 bar, bei dynamischer Einfederung bei ca. 10 bis 20 bar, abhängig von der Beladung.
Gasfedern mit konstanter Gasmasse
Hier wird eine bestimmte Gasmasse in einem Federelement eingeschlossen. Mit steigender Beladung nimmt das Volumen ab und die Federung wird steifer. Niveauausgleich wird durch eine zusätzliche Hydraulik erreicht (Hydropneumatik von Citroën).

Gasdruckfeder[Bearbeiten]

Hauptartikel: Gasdruckfeder

Gasdruckfedern werden meist als Öffnungsmechanismus, beispielsweise an der Kofferraumklappe bei Automobilen verwendet. Bei ihnen schiebt der innere Gasdruck die Kolbenstange mit einer nahezu konstanten Kraft aus dem Zylinder.

Elastomerfeder[Bearbeiten]

Gummifedern werden in einem weiten Anwendungsbereich der Technik eingesetzt. Sie haben neben federnden auch dämpfende Eigenschaften. Sie werden beispielsweise als Lager für schwingende Maschinenteile eingesetzt, oder auch im Fahrwerk von Kraftfahrzeugen (frühere Generationen des Mini Cooper). Gummifedern sind inkompressibel, d. h. ihr Volumen verringert sich nicht beim Einfedern. Es ist daher Platz für ein seitliches Ausweichen vorzusehen.

In Kraftfahrzeugen werden zusätzlich zur eigentlichen Federung in den Endanschlägen der Achsen Zusatzfedern aus Polyurethan (PUR) oder Microcellular Urethane (MCU) eingesetzt. Es handelt sich hier um einen Kunststoffschaum, der unter Last komprimiert wird. Die Charakteristik einer solchen Feder wird maßgeblich durch die Formgebung, sowie durch zusätzliche Stützelemente wie Kunststoffringe bestimmt.

Weitere Federtypen[Bearbeiten]

Evolutfeder[Bearbeiten]

Evolutfeder
Evolutfeder eines Zangenwerkzeugs (Belastung in axialer Richtung)
doppelte Evolutfeder bei einer Baumschere

Die Evolutfeder, auch Wickelfeder oder Topffeder genannt, wird aus einem hochkant stehenden Flachmaterial gewickelt und wurde unter anderem in der Schienenfahrzeugtechnik für die Abfederung von Zughaken, Puffern und Drehgestellen verwendet. Sie wurde 1846 von John Baillie als Bailliesche Schneckenfeder erfunden.

Ringfeder[Bearbeiten]

Ringfeder-Prinzip
Aufgeschnittener Ringfeder-Bahnpuffer

Im Eisenbahnbau werden in den Puffern (Aufpralldämpfer) der Waggons Ringfedern eingesetzt, die als waagerecht liegender Stapel in zwei Größen abwechselnd ineinander geschichtet werden. Beim Auffahren eines Waggons auf einen anderen werden die großen Federringe gedehnt und die kleinen Federringe gestaucht. Dabei rutschen die Federn teilweise ineinander und dämpfen zusätzlich die Bewegung durch Reibung. Durch die zusätzliche Dämpfung kann eine Ringfeder einen ArtnutzungsgradA) von mehr als eins erreichen.[3]

Schraubverbindungen[Bearbeiten]

Dehnschrauben sind konstruktiv so ausgeführt, dass eine kontrolliert angezogene Schraubverbindung sich wie eine vorgespannte Feder verhält. Dies lässt sich durch eine lange, schlanke Schraube erreichen: Je länger und schlanker die Schraube, desto flacher die Federkennlinie. Eine solche Schraubverbindung erfordert keine Schraubensicherung. Anwendungen: als Zylinderkopfschrauben.

Federkonstante bzw. Federkennlinien[Bearbeiten]

Federkennlinien *1: progressiv *2: linear *3: degressiv *4: nahezu konstanter Verlauf *5: linear mit Knickstellen

Die Federkennlinie beschreibt die Abhängigkeit der Federkraft F vom Federweg s. Neben der Federausführung mit einer linearen Federkennlinie bzw. einer Federkonstante (siehe in Abb.: Kennlinie 2) gibt es auch konstruktive Möglichkeiten, die Federausführung an die Anforderungen der Konstruktion anzupassen.

Beispiele für nichtlineare Kennlinien:

  • Mit Gummifedern werden oftmals progressive Kennlinien erreicht (siehe in Abb.: Kennlinie 1).
  • Moderne Sportbögen haben eine degressive Federkennlinie (siehe in Abb. Punkt 3). Die Fläche unter der Kennlinie entspricht der gespeicherten Energie. Diese ist bei gleicher Haltekraft größer als bei einer linearen Kennlinie.
  • Bei einer KFZ-Kupplung ist es erstrebenswert, für den gesamten Pedalweg eine konstante Pedalkraft zu benötigen (siehe in Abb. Punkt 4), wofür eine Ringfeder geeignet ist.
  • Die Federung bei KFZ verwendet häufig eine progressive Kennlinie (Punkt 1), um ein Durchschlagen bei hoher Last zu verhindern, während um die Normallast eine weiche, komfortable Federung gewünscht ist. Die Verhärtung der Feder tritt dann dadurch ein, dass die größeren Windungen zuerst einen Stoß bilden und damit die wirksame Federlänge verkürzen. Den gleichen Zweck erfüllt eine zweistufige Wicklung (Punkt 5), die etwas einfacher herzustellen ist. Eine solche Federkennlinie kann auch erreicht werden, indem zwei unterschiedliche Federn hintereinander gesetzt werden.
  • Unstetige Verläufe entstehen auch bei speziellen Blattfedern wie dem Knackfrosch.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Feder – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Albert Albers: Grundlagen der Berechnung und Gestaltung von Maschinen. In: Waldemar Steinhilper (Hrsg.): Konstruktionselemente des Maschinenbaus. 8 Auflage. 1, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-24300-4, 5.4.2.1 Eigenschaften, S. 243f.
  2. http://www.techniklexikon.net/d/blattfeder/blattfeder.htm
  3.  Albert Albers: Grundlagen der Berechnung und Gestaltung von Maschinen. In: Waldemar Steinhilper (Hrsg.): Konstruktionselemente des Maschinenbaus. 8 Auflage. 1, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-24300-4, 5.1.2.3 Nutzungsgrad, S. 206, 224.