Feder (Technik)

Schraubenfeder eines Kugelschreibers (Schraubendruckfeder)

Schraubenzugfeder

Eine Feder ist ein i. d. R. metallisches technisches Bauteil, das sich im praktischen Gebrauch ausreichend elastisch verformen lässt. Am häufigsten ist die Schraubenfeder, ein in Schraubenform gewickelter Draht.

Geschichte

oben: Latène-zeitliche Certosa-Fibel; unten: römische Zwiebelknopffibel

Einfach geformte federnde Körper, wie bspw. der hölzerne Bogen zum Abschießen von Pfeilen, wurden von den Menschen bereits in urgeschichtlichen Tagen verwendet. Im Bronzezeitalter gab es in vielen Kulturen bereits komplexere federnde Gebilde wie die Pinzette und die Fibel. Ktesibios von Alexandrien stellte Bronze mit besonderen federelastischen Eigenschaften als Legierung mit erhöhten Zinn-Anteil her, die nach dem Gießen durch Hämmern gehärtet wurde.

Vorspannbare (aufziehbare) aus Blechstreifen gewickelte Federn dienen seit dem frühen fünfzehnten Jahrhundert zum Antrieb von Tischuhren, ab dem Übergang zum sechzehnten Jahrhundert auch von Taschenuhren. Die Spiralfeder in der taktgebenden Unruh wurde ab 1673 von Salomon Coster in Taschenuhren eingebaut (Erfinder war Christiaan Huygens).

Im Jahr 1676 formulierte der britische Physiker Robert Hooke das der elastischen Verformung zugrunde liegende Hookesche Gesetz: Die Verformung ist der Belastung proportional.

Anwendungen

Alle Anwendungen der Feder beruhen auf deren Vermögen, potentielle Energie zu speichern.

• Antriebsenergie: Die Energie einer vorgespannten (aufgezogenen) Feder dient zum Antrieb beweglicher Geräte (z. B. mechanischer Uhren). Der Antrieb hört auf, wenn die Feder wieder entspannt ist.
• Teil eines schwingfähigen Feder-Masse-Systems: Kinetische Energie verformt die Feder, wonach diese Energie als potentielle Energie vorliegt. Die Masse schwingt aus, bis alle kinetische in potentielle Energie umgeformt ist. Danach wird die Energieumwandlung gegenläufig, und die Masse schwingt zurück in die entgegengesetzte Endlage.

• Ein Körper wird federnd gelagert, um die Wirkung von Stößen (hohe kurzzeitige Kräfte) auf ihn zu mildern. Damit die Schwingung schnell abklingt, wird sie gedämpft, wie z. B. die Federung eines Fahrzeugs mittels Stoßdämpfern.
• Das permanente Schwingen eines Körpers wird durch seine Kombination mit einer Feder erreicht, z. B. das der mit einer Feder gekoppelten Unruhe einer mechanischen Uhr. Die Dämpfung durch Reibung in den Drehlagern der Unruhe wird kompensiert, indem dem schwingenden System bei jedem Ausschlag eine kleine Energiemenge aus der Antriebsfeder der Uhr zugeführt wird.

• Rückstellkraft: Eine Feder wird außer für das Aufrechterhalten einer Schwingung auch zur Bereitstellung einer konstanten Rückstellkraft gebraucht, wie in Drehspulmesswerken und Drehmomentschlüsseln.
• Kraftquelle für kraftschlüssige Verbindung: Für die bei einem Reibschluss erforderliche Normalkraft wird oft die Rückstellkraft einer vorgespannten Feder verwendet, z. B. in einer Reibungskupplung oder einem Türfeststeller.
• Ausweichendes Teil bei Formänderung anderer Bauteile: Bauteile, deren Abmessungen sich im Betrieb ändern, werden oft mit einer Feder kombiniert in die Maschine oder das Gerät eingebaut, um Zwängungen (z. B. bei thermischer Ausdehnung) oder schädliches Spiel (z. B. bei Verschleiß durch Abrieb) zu vermeiden. Verschleiß in einer Reibungskupplung führt nur zu etwas geringerem Anpressen der Reibflächen aufeinander, nicht zur Kontaktunterbrechung. Bei Verwendung einer Dehnschraube wächst die Vorspannung bei Wärmedehnungen in verträglichem Maß. Beim plastischen Nachgeben (Setzen) des mit der Schraube befestigten Teils wird diese nicht locker.
• Lastverteilung: Großflächige Lastübertragung zwischen Körpern ist gleichmäßiger, je elastisch nachgiebiger die Körper (oder einer der Körper) sind. Beispiel ist die Sprungfeder-Matratze, bei der mehrere Federn beim Belasten vorgespannt werden..

Materialien

Federn werden aus Stahl- (Federstahl) und Kupfer-Legierungen (meistens Berylliumkupfer) hergestellt. Die Halbzeuge sind vorwiegend schmale Bänder und Drähte. Aus anderen elastischen Werkstoffen wie Gummi und faserverstärktem Kunststoff gibt es keine typisierten Federn. Gasdruckfedern sind in der Regel auch Spezialanfertigungen.

Kenngrößen

Federkennlinien
1 progressiv
2 linear
3 degressiv
4 sehr weich, vorgespannt
5 linear mit Knickstelle

Zur Charakterisierung von Federn wird die Federkonstante (Federhärte) oder die Federkennlinie angegeben. Diese beschreiben den Zusammenhang zwischen Verformung (Weg s oder Winkel φ) und Kraft F oder Drehmoment M_t. Die Federkennlinie ist wie das ihr zugrundeliegende Hookesche Gesetz in guter Näherung linear (→ Feder-Konstante, siehe 2 in Abb.). Für besondere Zwecke werden nichtlineare, oft auf besondere Weise verwirklichte nichtlineare Kennlinien benutzt.

Kennlinien-Beispiele:

• Gedrückte Gummifedern (Gummiklötze) haben prinzipiell eine progressive Kennlinie (1).
• Moderne Sportbögen haben eine degressive Federkennlinie (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 soll die Pedalkraft über den Pedalweg nicht zu stark ansteigen (4), wofür eine vorgespannte Membranfeder geeignet ist.
• Die Fahrzeugfederung ist häufig progressiv ausgelegt (1), um ein Durchschlagen bei hoher Last zu verhindern, während bei Normallast eine weiche, komfortable Federung gewünscht ist. Die Verhärtung der Feder tritt ein, indem die größeren Windungen sich aufeinander legen und damit die wirksame Federlänge verkürzen. Den gleichen Zweck erfüllt eine zweistufige Wicklung, die etwas einfacher herzustellen ist. Eine Annäherung kann auch erreicht werden, indem zwei unterschiedliche Federn hintereinander gesetzt werden (5).
• Unstetige Verläufe entstehen auch bei Blattfedern mit gewölbtem Querschnitt wie dem Knackfrosch (5).

Wirkprinzipien

Als elastische Verformungen eines Körpers kommen infrage:

• Dehnung (oder Stauchung) unter Normalkraft (Zugkraft (oder Druckkraft)), die zu Zugspannung (oder Druckspannung) führt,

• Biegung unter Biegemoment, das zu Biegespannung führt,

• Scherung unter Querkraft, die zu Scherspannung führt,

• Torsion unter Torsionsmoment, das zu Torsionsspannung führt.

In angewendeten Federn kommen i. d. R. alle genannten Spannungen gleichzeitig vor. Bei Biegefedern und Torsionsfedern überwiegen die jeweiligen namengebenden Spannungen. Mit diesen allein lassen sie sich in guter Näherung quantitativ behandeln. Biege- (inklusive der relativ harten Tellerfedern) und Torsionsfedern haben auch einen relativ großen Verformungsweg (oder -winkel), der aus ihrer nicht durchgehend gleich starken Beanspruchung des Querschnitts resultiert (Beanspruchung im Zentrum gleich Null), so dass sie bevorzugt verwendet werden.

Biegefeder

Ein in $x$ -Richtung ausgedehnter biegsamer Stab nimmt bei Beanspruchung durch das Biegemoment  $M_{y}(x)$  in der  $xz$ -Ebene die Krümmung  $w''(x)$  an:

$w''(x)=-{\frac {M_{y}(x)}{E\cdot I_{y}}}$         ( $E$ : Elastizitätsmodul des Werkstoffs     $I_{y}$ : Flächenträgheitsmoment bei Biegung um die $y$ -Achse)

Torsionsfeder

Der Verdrehwinkel  $\phi$  eines Stabs der Länge $L$  bei Beanspruchung mit dem Torsionsmoment  $M_{t}$  beträgt:

$\phi ={\frac {M_{t}\cdot L}{G\cdot I_{p}}}$         ( $G$ : Schubmodul des Werkstoffs     $I_{p}$ : polares Flächenträgheitsmoment des Querschnitts)

Spiralfeder und schwingende Unruh

Biegefedern

Die meisten Biegefedern sind Blattfedern (rechteckiger Querschnitt), Drahtfedern sind in der Unterzahl. Gerade (gestreckte) Biegefedern lassen sich mit der für gerade Balken geltenden Balkentheorie behandeln. Für die überwiegend gekrümmten Biegefedern sind zwei Besonderheiten zu beachten:

• Die Spannungsverteilung im Querschnitt ist nicht mehr wie bei den geraden Federn symmetrisch. Die Spannung der konkaven Randfaser ist erhöht, was mit Hilfe von Korrekturfaktoren berücksichtigt werden muss.
• Bei der Herstellung der Krümmung wird die zulässige Spannung gemindert, wenn keine Wärmenachbehandlung erfolgt.

Blattfeder

Antriebsfeder einer Paillard-Bolex-Schmalfilmkamera, entspannt

Spiralfeder

Spiralfedern sind in einer Ebene stark gekrümmt in Schneckenlinie aufgewickelte Metallbänder. Sie sind Hauptbestandteil von Uhren mit Federantrieb. Ihr gleichmäßiger Ablauf wird mit mechanischen Hilfseinrichtungen (Hemmung, reibende Drehzahl-Regler) erreicht. Später wurden sie auch in Gramophone, Filmkameras und Telephone mit Wählscheibe eingebaut. In Spielzeugen werden sie Federmotoren, die i. d. R. einfacher konstruiert sind und ungleichmäßig schnell ablaufen, genannt.

In der Hemmung der Uhr ist die Spiralfeder als Unruh-Feder enthalten.

Ein besonderer Spiralfeder-Antrieb ist der Rollfeder-Antrieb, bei dem eine Spiralfeder zwischen zwei Gehäusen (Trommeln) hin- und herbewegt wird. In bevorzugter Ausführung hat die Feder in beiden Trommeln unterschiedliche Krümmung, und speichert somit mehr Energie als bei einseitiger Krümmung. Beim Aufziehen des Antriebs wird die Feder in der Abtriebsstrommel aufgewickelt. Beim Ablauf zieht sich die Feder in die Vorratstrommel zurück, um ihre ursprüngliche Form anzunehmen, und treibt dabei die Abtriebstrommel an. Dieser Federantrieb wird z. B. zum Aufrollen von Netzkabeln in Staubsaugern benutzt.

Auch in anderen Feder-Antrieben wird die Spiralfeder oft Rollfeder genannt.

Elliptikfeder

Die seit den gefederten Kutschen in Fahrzeugen verwendeten schwach gebogen Blattfedern wurden oft paarweise gegeneinander montiert verwendet. Diese Paarung zu einer ellipsenartigen Form ergab die Bezeichnung Elliptikfeder. Die beiden gegenüberliegenden Federn sind meist Federpakete, d. h. aufeinander liegende einzelne Federblätter. Wegen der mittigen Belastung ist das Biegemoment in der Mitte der Federlänge am größten. Dem dreieckigen Momentenverlauf angepasst ist die abgestufte Längsform des Federpakets: Die Länge der zugefügten Blätter nimmt von Stück zu Stück ab.

Die vorwiegend an den Enden der Blätter gegen ihre Nachbarblätter stattfindende Reibung wird zur Schwingungs-Dämpfung des Feder-Fahrzeugaufbau-Systems ausgenutzt..

• Wird die Vollelliptikfeder „beschnitten“, entstehen die ebenfalls angewendeten Formen:
• Dreiviertelelliptikfeder (von einem der beiden Pakete ist die Hälfte entfernt, die verbliebene Hälfte ist fest eingespannt),
• Halbelliptikfeder (nur eins der ursprünglich beiden Pakete wird verwendet),
• Viertelelliptikfeder (von der Halbelliptikfeder ist die Hälfte entfernt, die verbliebene Hälfte ist fest eingespannt, für das an ihr aufgehängtem Rad ist sie ein Kragträger → Cantileverfeder)

• 
  Vollelliptikfeder an einer Kutsche
  im Classic Car Museum Malta
• 
  Dreiviertelelliptikfeder, De Dion-Bouton
• 
  Halbelliptikfeder, Jeep
• 
  Viertelelliptikfeder als Querlenker
  Tatsächlich wird i.d.R. eine Halbelliptikfeder eingebaut, deren Hälften für je ein Rad je eine Viertelelliptikfeder sind.

Geometrie der Federblätter

Parabelfeder

Anstatt ein abgestuftes Federpaket zu bilden, kann eine Blattfeder mit parabelförmig von der Mitte zu den Enden hin abnehmender Stärke verwendet werden.

Auf ähnliche Weise wirkt ein in der Fläche trapezförmiges Federblatt (nebenstehende Abbildung).

Wellenfeder

Wellenfedern sind Ringe aus gewelltem Flachdraht. Bei Belastung werden die Wellen heraus gebogen. Sie werden zu Paketen übereinander geschichtet als Ersatz für Schraubenfedern bei niedrigem Einbauraum, aber bei großem Durchmesser eingesetzt. Einlagig werden sie zum Beispiel in Bajonettverschlüssen und Wellenlagerungen zum axialen Spielausgleich verwendet.

Drahtfeder

Für die oben beschriebenen Anwendungen der Blattfedern (rechteckiger Querschnitt) werden Drähte (runder Querschnitt) wegen der allseitigen Biegenachgiebigkeit kaum verwendet.

Eine Sicherheitsnadel wird im geschlossenen Zustand von einer Schenkelfeder unter Kraftschluss gehalten.

Wellenfeder

Ausnahmsweise werden Wellenfedern (s.o.) auch aus Draht gefertigt.

Schenkelfeder

Schenkelfedern sind schraubenförmig gewickelte (gewundene) Drahtfedern mit abstehenden geraden Enden (Schenkeln). Die Schenkel dienen zur Einleitung des den Draht biegenden Drehmoments. Bei vielen Windungen wird sie auf einem eingesteckten Zylinder oder mit Halbschalen (siehe Wäscheklammer) von außen gegen das sich einstellende Kippmoment geführt

Anwendungsbeispiele sind: Sicherheitsnadel (nebenstehende Abbildung), Wäscheklammer, Mausefalle mit Schlagbügel.

Torsionsfedern

Die meisten Torsionsfedern bestehen aus Stäben oder Draht mit rundem Querschnitt. Andere Querschnitte (quadratisch, rechteckig u.a.) sind in der Minderheit. Im Unterschied zu den geraden (gestreckten) Torsionsfedern (Drehstäben) sind bei der Behandlung der gewundenen Torsionsfedern (Schraubenfedern) zwei Besonderheiten zu beachten:

• Die Spannungsverteilung im Querschnitt ist nicht mehr wie bei den geraden Federn rotationssymmetrisch. Die Spannung der konkaven Randfasern sind erhöht, was mit Hilfe von Korrekturfaktoren berücksichtigt werden muss.
• Bei der Herstellung der Krümmung wird die zulässige Spannung gemindert, wenn keine Wärmenachbehandlung erfolgt.

Stabfeder

Beispiele für angewendete Drehstäbe ist das Torsionspendel in mechanischen Uhren, das Torsionsband in Drehspulmessinstrumenten (für Erzeugung des Reaktionsmoment und als Lagerelement für die Drehspule) und der Stabilisator und die Drehstabfeder zur Fahrzeug-Federung.

Schraubenfeder

Bei der Schraubenfeder ist der Federdraht in Schraubenform aufgewickelt (gewunden). Es wird zwischen Schraubenzug- und -druckfedern unterschieden. Die Federn werden in Richtung der Schraubenachse auseinander gezogen oder zusammen gedrückt und kurz als Zug- oder Druckfedern bezeichnet.

Die äußere Form ist zylinder-, kegel- oder tonnenförmig. Eine Druckfeder in einer der beiden letzteren Formen kann stark zusammengedrückt werden, weil die Windungen teilweise ineinander zu liegen kommen: Miniblock-Feder.

Damit die Endwindungen bei Belastung nicht kippen, muss die Kraft mittig eingeleitet werden. Die Ösen der Zugfedern werden so gebogen, dass sie in einer Mittelebene liegen. Bei Druckfedern werden meistens etwa 3/4 der beiden Endwindungen an die je benachbarte Windung angelegt (nichtfedernde Windungen) und rechtwinklig zur Federachse abgeschliffen. So entsteht eine dreiviertelkreisförmige ebene Auflage.

• 
  auf gedrückten Schraubenfedern abgestützter Teil eines Eisenbahnwagens
• 
  Kegelfedern (Sprungfedern)
• 
  Zugfeder mit mittigen Ösen
• 
  Druckfeder, Endwindungen angebogen und abgeschliffen

Die Schraubenfeder ist ein gewundener Drehstab. Die Federwindungen werden in vernachlässigbarem Maße gebogen. Bei ihrer Auslegung wird ausschließlich die Torsionsbeanspruchung beachtet (die Biegebeanspruchung ist vernachlässigbar klein). Die für den Drehstab oben angegebene Gleichung

$\phi ={\frac {M_{t}\cdot L}{G\cdot I_{p}}}$

ist in der bekannten "Handgleichung" für Federn aus rundem Draht

$c={\frac {F}{f}}={\frac {G\cdot d^{4}}{8\cdot D^{3}\cdot i}}$         ( $c$ : Federkonstante     $F$ : belastende Kraft     $f$ : Federweg     $d$ : Drahtdurchmesser     $D$ : mittlerer Federdurchmesser     $i$ : Zahl der federnden Windungen)

für die Behandlung der Schraubenfeder enthalten, wie die folgenden Umstellungen zeigen.

Zwischen Verdrehung  $\phi$  und dem Federweg  $f$  besteht die Beziehung:  $\phi =2f/D$ 
Das belastende Drehmoment  $M_{t}$  wird von der mittig wirkenden Kraft  $F$  erzeugt:  $M_{t}=F\cdot D/2$ .
Die gestreckte Länge  $L$ des gewundenen Drahts ist der Umfang einer Windung  $D\pi$  multipliziert mit der Windungszahl  $i$ :  $L=D\cdot \pi \cdot i$ .
Das polare Flächenträgheitsmoment  $I_{p}$  der Kreisfläche ist:  $I_{p}=d^{4}\pi /32$ .

Diese vier Ausdrücke in die Drehstab-Gleichung eingesetzt ergibt:

${\frac {2f}{D}}={\frac {(F\cdot D/2)\cdot (D\cdot \pi \cdot i)}{G\cdot (d^{4}\pi /32)}}$ ,

was mit der gesuchten "Handgleichung" identisch ist.

Tellerfedern

Spannungen im radialen Querschnitt (19,75mm x 2mm, r_a= 30mm) einer flach gedrückten Tellerfeder aus Stahl, Werte in kp/mm²

Form und Funktion

Eine Tellerfeder hat die Mantelform eines flachen Kegelstumpfs. Dieser wird zwischen seinen Randkreisen elastisch zusammen gedrückt (maximal bis er zu einer ebenen Scheibe verformt ist), wobei sich als Reaktion auf die eingeleiteten Kräfte Normalspannungen (Druck- und Zugspannungen) im Material bilden. Da bei r_i (oben in neben stehender Abbildung) Druckspannungen (-), bei r_a aber Zugspannungen (+) auftreten, ist die verformte Tellerfeder nicht nur ein stumpfer, sondern entlang einer Mantellinie auch leicht gewölbter Kegelstumpf. Bei r₀ erfolgt der Übergang von Druck- zu Zugspannung, es treten dort keine Spannungen auf.

Sechs Tellerfedern in „Reihenschaltung“

Zwei mal drei Tellerfedern in „Parallelschaltung“, zwei Federpakete in „Reihenschaltung“

Kombinationen von Tellerfedern

Die einzelne Tellerfeder ist eine relativ harte Feder und wird dementsprechend dort verwendet, wo eine solche erforderlich ist. Eine weichere Feder entsteht durch wechselsinniges Aufeinanderschichten der Teller („Reihenschaltung“). Das ist ein Anwendungsvorteil, wenn es darum geht, eine weichere Feder aus „Katalog-Teilen“ zu erzeugen. Durch gleichsinniges Aufeinanderschichten („Parallelschaltung“) entsteht eine Feder, die härter als die Einzelfeder ist

Werkstoffe

• Federstähle, auch nichtrostend und warmfest,
• Kupfer- (CuSn 8, CuBe 2) und Nickel-Legierungen (Nimonic, Inconel, Duratherm),
• faserverstärkte Kunststoffe (FVK) in Einzelfällen.

Damit Tellerfedern ausreichende Federeigenschaften (Elastizität bei hoher Festigkeit) haben, werden sie aus wärmebehandeltem (vergütet) oder aus bereits federhartem Werkstoff gefertigt. Nach DIN 2093 muss die Härte zwischen 42 und 52 HRC liegen.

Herstellung

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.

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.

Normen

• DIN 2092 Tellerfedern, Berechnung
• DIN 2093 Tellerfedern, Maße und Qualitätsanforderungen

Anwendungsbeispiele

• in Reibungskupplungen zur Erzeugung der Normalkraft,
• in Scheibenbremsen als Rückstellfedern,
• zum Spielausgleich, z. B. axial bei Kugellagerringen, die mit losem Sitz eingebaut sind.

Andere metallische Federn

Die folgenden Federn sind Ausführungen, die für bestimmte Zwecke entwickelt wurden und kaum allgemein verwendet werden.

Evolutfeder

Die Evolutfeder, auch Pufferfeder oder Kegelstumpffeder genannt, ist eine aus einem flachen Band schraubenförmig überlappt gewickelte Feder. Der dabei entstandene Kegelstumpf wird axial (in Längsrichtung des Bandquerschnitts) elastisch zusammen gedrückt. Der Bandquerschnitt wird tordiert, weshalb eine relativ harte Feder entsteht. Die Federkennlinie ist nichtlinear.

Sie wurde 1846 von John Baillie erfunden und als Eisenbahn-Puffer-Feder verwendet. Sie löste die ältere Schraubenfeder (s. o.) ab und wurde später durch Ringfedern (s. u.) ersetzt.

Heute kommt sie nur noch als Doppel-Evolutfeder (Blechabwicklung ist ein V-förmiger Blechausschnitt) in Gartenscheren häufig vor.

• 
  Evolutfeder
• 
  Evolutfeder in einem Eisenbahn-Puffer
• 
  Doppel-Evolutfeder (Parallelschaltung)
• 
  Doppel-Evolutfeder in einer Gartenschere

Ringfeder-Prinzip

Ringfedern in Eisenbahn-Puffer,
sichtbar sind nur die äußeren Ringe

Ringfeder

Die Ringfeder ist heute Standardfeder in Eisenbahn-Puffern. Sie ist äußerst hart. Eine anwendbare Feder ist deshalb ein Stapel aus inneren und äußeren wechselseitig aneinander geereihten Ringen.

Beim Zusammendrücken werden die größeren äußeren Ringe gedehnt und die kleineren inneren Ringe gestaucht. Sie rutschen an den stumpfen kegelförmigen Kontaktstellen ineinander, wobei die federnde Bewegung durch Reibung gedämpft wird. Durch die zusätzliche Dämpfung kann ein Ringfederpaket einen Artnutzungsgrad (η_A) von mehr als eins erreichen.

Kraftfahrzeugkupplung mit Membranfeder

Dosenbarometer mit aus zwei gewellten Membranen bestehender Barometerdose

Membranfeder

Membranfedern sind dünne elastische, meist kreisförmige Platten.

Im Automobilbau versteht man unter der Membranfeder die in einer mechanischen Kupplung eines Kraftfahrzeugs verwendete Bauart. Im inneren Bereich ist der leicht kegelige Ring in radiale Zungen aufgelöst. Diese dienen als Betätigungshebel, um zum Lösen der Kupplung den Randbereich umzustülpen. Im nicht umgestülpten Zustand stellt der einer Tellerfeder vergleichbare, vorgespannte Randring die Normalkraft dieser reibschlüssigen Kupplung dar.

Eine Barometerdose besteht aus zwei konzentrisch gewellten kreisförmigen Membranen, die bei Veränderung des außerhalb der Dose herrschenden Luftdrucks elastisch gegeneinander bewegt werden.

Dehnschraube

→ Hauptartikel: Dehnschraube

Eine Dehnschraube ist relativ lang und hat einen schlanken Schaft. Sie ist ein elastisches Bauteil, das gleich wie eine relativ harte Zugfeder funktioniert, aber nicht als Feder bezeichnet wird.

Nichtmetallische Federn

Gummifeder

Gummifedern sind oft massive Blöcke - manchmal auch Bänder - aus Gummi oder elastischem Kunststoff (Elastomer). Diese Werkstoffe haben eine im Vergleich zu Metall um Größenordnungen kleinere Federhärte bzw. kleineren Elastizitätsmodul. Ihre dämpfenden Eigenschaften sind höher, weshalb man sie häufig zum Entkoppeln von mechanischen und Schallschwingungen verwendet. Sogenannte Silentblöcke haben meistens an zwei gegenüberliegende Seiten anvulkanisierte metallische Teile, mit deren Hilfe sie zwischen zwei gegeneinander gefederte Bauteile befestigt werden. Eine sogenannte Silentbuchse bildet zusammen mit einer metallischen Achse ein Gummilager, d. h. ein elastisches Drehlager, z. B. bei Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen.

Bei der Fahrzeugfederung des BMC Mini wurden Gummifedern verwendet. In Kraftfahrzeugen sind neben den eigentlichen (metallischen) Federn Zusatzfedern aus Polyurethan (PUR) oder Microcellular Urethane (MCU) für die Endanschläge der Radaufhängungen zu finden. Es handelt sich hier um einen Kunststoffschaum, der unter Last komprimiert wird. Die Charakteristik einer solchen Zusatzfeder wird maßgeblich durch die Formgebung, sowie durch zusätzliche Stützelemente wie Kunststoffringe bestimmt. Der gängige Werkstoff der Gummifedern ist nicht komprimierbar. Das Dickerwerden eines gedrückten Gummiblocks darf am Einbauort nicht behindert werden.

Luftfeder, geschnitten
mit Schlauchrollbalg

Luftfeder

→ Hauptartikel: Luftfederung

Bei einer Luftfeder wird die Kompressibilität von Luft ausgenutzt. Einfache Beispiele sind die Luftmatratze und der Luftreifen, ein komplexeres sind die zur Fahrzeugfederung verwendeten Systeme.

Bei Fahrzeugen kommen folgende Vorteile im Vergleich mit metallischen Federn zum Tragen:

• Feinfühliges Ansprechen, da fast keine Eigendämpfung.
• Vorwählbare und/oder automatisch einstellbare Vorspannung mittels Kompressor an Bord: Dadurch kann die Höhe des Fahrzeugkörpers eingestellt, bzw. unabhängig von der Zuladung gehalten werden. Zu beachten ist allerdings, dass die Federung bei großer Vorspannung härter wird.

Gasdruckfeder

→ Hauptartikel: Gasdruckfeder

Gasdruckfedern sind abgeschlossene gasgefüllte Federn mit erhöhtem Innendruck (Vorspannung). Sie werden beispielsweise an der Kofferraumklappe bei Automobilen und in gefederten Bürostühlen verwendet.

Siehe auch

• Steifigkeit, Elastizitätsmodul, Schubmodul
• Federung (Fahrzeuge)
• Gummimotor (Gummiband als Federspeicher)
• Federspeicher (Federspeicherbremse)
• Federwerk (Antrieb, besonders von mechanischen Uhren)
• Federstahl als häufigster Werkstoff für Federn
• Bimetalle werden gelegentlich als Bimetallfeder bezeichnet.
• Slinky (Schraubenfeder als Spielzeug)

Weblinks

Commons: Feder – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Verband der deutschen Federnindustrie, mit bebilderter Federtypenliste
• Mechanical spring calculators, Berechnung von mechanischen Federn (englisch)