Frühjahrsgrundlagen 101: Ein vollständiger Leitfaden

Federn werden aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften sowohl in der mechanischen als auch in der elektronischen Industrie häufig verwendet.

Wenn eine Feder belastet wird, verformt sie sich stark elastisch und wandelt mechanische Arbeit oder kinetische Energie in gespeicherte Verformungsenergie um.

Beim Entlasten kehrt die Feder in ihren ursprünglichen Zustand zurück, wobei die gespeicherte Verformungsenergie wieder in mechanische Arbeit oder kinetische Energie umgewandelt wird.

Das Verhältnis zwischen der Federkraft und ihrer Verformung wird als Federsteifigkeit bezeichnet. Je höher die Steifigkeit ist, desto steifer ist die Feder.

1. Funktion der Feder

Zu den Funktionen von Federn gehören:

• Federung und Dämpfung, z. B. die Dämpfungsfedern, die in Auto- und Zugaufhängungen verwendet werden, sowie verschiedene Puffersysteme.
• Steuerung der Bewegung von Mechanismen, wie z. B. Ventilfedern in Verbrennungsmotoren und Steuerfedern in Kupplungen.
• Speichern und Freisetzen von Energie, wie z. B. Uhrenfedern und Verschlussfedern für Waffen.
• Kraftmessung, z. B. Federn in Federwaagen und Dynamometern.

2. Klassifizierung von Federn

Federn können aufgrund ihrer Beanspruchung in vier Typen eingeteilt werden: Zugfedern, Druckfedern, Torsionsfedern und Biegefedern.

Eine Zugfeder ist eine Art von Schraubenfeder, die eine axiale Spannung erfährt.

Diese Federn werden in der Regel aus Materialien mit rundem Querschnitt hergestellt.

Im unbelasteten Zustand sind die Windungen einer Zugfeder in der Regel eng gewickelt und weisen keine Lücken zwischen ihnen auf.

Eine Druckfeder ist eine Art von Schraubenfeder, die für die Aufnahme von Druckkräften ausgelegt ist.

Der Querschnitt von Druckfedern ist in der Regel kreisförmig, sie können aber auch aus rechteckigem oder mehrsträngigem Stahl hergestellt werden.

Diese Federn haben in der Regel die gleiche Steigung und einen kleinen Zwischenraum zwischen den Windungen.

Wenn eine Druckfeder von außen belastet wird, wird sie zusammengedrückt, verformt sich und speichert in ihrer Verformung Energie.

Torsionsfedern sind eine Art von Schraubenfedern.

Sie sind in der Lage, Winkelenergie zu speichern und freizugeben oder eine Vorrichtung in einer statischen Position zu halten, indem sie den Kraftarm um die Mittelachse des Federkörpers drehen.

Die Enden einer Torsionsfeder sind an anderen Bauteilen befestigt. Wenn sich diese Bauteile um den Mittelpunkt der Feder drehen, zieht die Feder sie in ihre ursprüngliche Position zurück und erzeugt so ein Drehmoment oder eine Drehkraft.

Zusätzlich zu den gemeinsamen Arten von FedernEs gibt auch zwei unkonventionelle Arten: Luftfedern und Federn aus Kohlenstoffnanoröhren.

Eine Luftfeder ist eine nicht-metallisch Feder, die die Komprimierbarkeit von Luft nutzt, um einen elastischen Effekt zu erzeugen, indem sie Druckluft in einen flexiblen, geschlossenen Behälter einleitet.

Wenn sie in hochwertigen Fahrzeugaufhängungssystemen eingesetzt werden, verbessern Luftfedern den Fahrkomfort erheblich, so dass sie in Automobilen und Eisenbahnlokomotiven weit verbreitet sind.

Eine Kohlenstoff-Nanoröhren-Feder wird durch Spinntechnologie hergestellt, die mit der Vorbereitung eines Kohlenstoff-Nanoröhren-Films beginnt.

Mit einem Durchmesser von Hunderten von Mikrometern und einer Länge von einigen Zentimetern haben Kohlenstoffnanoröhrenfedern zahlreiche potenzielle Anwendungen, darunter einziehbare Leiter, flexible Elektroden, Mikrodehnungssensoren, Superkondensatoren, integrierte Schaltkreise, Solarzellen, Feldemissionsquellen, Energiedissipationsfasern und mehr. Es wird erwartet, dass sie auch in medizinischen Geräten, wie z. B. spannungsmessenden Verbänden, eingesetzt werden.

3. Federwerkstoff und zulässige Spannung

Im Betrieb sind Federn häufig Wechsel- und Stoßbelastungen ausgesetzt und müssen sich stark verformen. Daher sollte das für die Herstellung von Federn verwendete Material eine hohe Zugfestigkeit, Elastizitätsgrenze und Ermüdungsfestigkeit.

Darüber hinaus sollte das Herstellungsverfahren eine ausreichende Härtbarkeit, Beständigkeit gegen Entkohlungund gute Oberflächenqualität.

Gängige Federwerkstoffe und zulässige Scherspannung

Anmerkung:

• Federn können in drei Kategorien eingeteilt werden, die sich nach der Anzahl der Belastungszyklen richten: Typ I, mit n > 10⁶Typ II, mit n = 10³ ~ 10⁵ und unter Stoßbelastung; und Typ III, mit n < 10³.
• Die zulässige Spannung für Bügelzugfedern beträgt 80% des in der Tabelle angegebenen Wertes. Wenn die Feder einer starken Druckbehandlung unterzogen wird, kann ihre zulässige Spannung um 20% erhöht werden.
• Die Gruppe 1 hat die höchste Zugfestigkeit, die Gruppe II die zweithöchste, die Gruppe III die niedrigste und die Gruppe IV hat die gleiche Zugfestigkeit wie die Gruppe II, aber eine bessere Plastizität.

Der Sb-Wert von Kohlenstoffkabel-Federstahldraht kann der Tabelle entnommen werden.

Festigkeit von Kohlenstoff-Federstahldraht

4. Herstellung von Federn

Der Herstellungsprozess einer Spiralfeder umfasst das Walzen, die Herstellung von Haken oder die Fertigstellung von Endflächenringen, die Wärmebehandlung und die Leistungsprüfung.

In der Großserienproduktion werden die Federn mit einem Universal-Wickelautomaten gewickelt. Bei Einzelstücken oder Kleinserienfertigung werden sie mit einer traditionellen Drehbank oder von Hand gefertigt. Wenn der Federdraht einen Durchmesser von 8 mm oder weniger hat, wird in der Regel ein Kaltwickelverfahren angewandt.

Vor dem Wickeln ist eine Wärmebehandlung erforderlich, nach dem Wickeln ist ein Anlassen bei niedriger Temperatur erforderlich. Bei einem Durchmesser von mehr als 8 mm sollte ein Warmwickelverfahren (mit Temperaturen zwischen 800°C und 1000°C) angewendet werden. Nach dem Warmwickeln sollte die Feder abgeschreckt und vergütet bei mittleren Temperaturen.

Nachdem die Feder geformt wurde, sollte die Oberflächenqualität geprüft werden, um sicherzustellen, dass sie glatt und frei von Fehlern wie Narben ist, Entkohlungund andere Unvollkommenheiten. Federn, die wechselnden Belastungen ausgesetzt sind, sollten auch einer Oberflächenbehandlungwie z. B. Kugelstrahlen, um ihre Lebensdauer zu verbessern.

5. Endstruktur der Feder

Die effektive Anzahl der Windungen N, die an der Verformung der Druckfeder beteiligt sind, ist ausschlaggebend dafür, dass die Feder gleichmäßig arbeitet und ihre Mittellinie senkrecht zur Stirnfläche steht.

Um dies zu erreichen, befinden sich an beiden Enden der Feder 3/4 bis 7/4 Windungen, die eine feste Stützfunktion haben, die so genannten toten Kreise oder Stützringe. Diese Windungen nehmen nicht an der Verformung während der Arbeit teil.

Die Zugfeder ist an ihrem Ende mit einem Haken für den Einbau und die Belastung ausgestattet, und es gibt vier gängige Arten von Endstrukturen: halbrunde Schäkel, runde Schäkel, verstellbare Haken und drehbare Haken.

Halbrunde und kreisförmige Schäkel sind leicht herzustellen und weit verbreitet, aber aufgrund der hohen Biegespannung am Übergang des Hakens sind sie nur für Federn mit einem Federdrahtdurchmesser d ≤ 10 mm geeignet. Dagegen sind verstellbare und drehbare Haken gut beanspruchbar und können in jede beliebige Position gedreht werden, um die Montage zu erleichtern.

6. Spannungsberechnung der Feder

Spannungsanalyse einer Druckfeder

Abb. (a) zeigt die zylindrische Schraubendruckfeder, die die axiale Arbeitslast F trägt.

Die Analyse nach der Schnittmethode zeigt, dass der Federdrahtabschnitt sowohl einer Scherkraft F als auch einem Drehmoment T ausgesetzt ist, das gleich F mal D geteilt durch 2 ist. Das Drehmoment führt zu einer Schubspannung, die wie folgt berechnet werden kann:

Berücksichtigt man die Auswirkungen der durch die Querkraft F und die spiralförmige Krümmung des Federdrahtes erzeugten Schubspannung, so findet man die maximale Schubspannung t auf der Innenseite der Feder, wie in Abbildung (b) dargestellt. Ihr Wert und die Festigkeitsbedingungen sind wie folgt:

Wo,

C - Wicklungsverhältnis,

C = D / D, die gemäß Tabelle 1 gewählt werden können

K - Federkrümmungskoeffizient,

K kann auch direkt aus Tabelle 2 entnommen werden.

Aus der Tabelle ist bekannt, dass der Einfluss von K auf T umso geringer ist, je größer C ist;

F - Arbeitslast der Feder, N;

D - Steigungsdurchmesser der Feder, mm;

D - Materialdurchmesser mm.

Tabelle 1 Empfohlene Werte für das Wicklungsverhältnis

Tabelle 2 Krümmungskoeffizient K

In Gleichung 1 kann die Formel zur Berechnung des Durchmessers des Federstahldrahtes entsprechend der Festigkeitsbedingung erhalten werden, indem f durch die maximale Arbeitslast F2 der Feder ersetzt wird:

Die Methode zur Berechnung der Festigkeit einer Zugfeder ist identisch mit der einer Druckfeder.

7. Die Feder ist nicht an ihrem Platz und die Fehlerursache

In der Praxis kommt es häufig zu Situationen, in denen die Feder das bewegte Objekt nicht in die vorgesehene Position drücken kann, was dazu führt, dass die berechnete freie Länge der Feder kürzer wird.

Die Ursache für dieses Problem ist das Fehlen einer anfänglichen Kompressionsbehandlung, bei der die Feder mit erheblichem Kraftaufwand (falls erforderlich) auf ihre Kompressionshöhe oder Spannhöhe zusammengedrückt und dann wieder freigegeben wird, damit sie in ihre ursprüngliche freie Länge zurückkehrt.

Der Betrag, um den sich die Feder verkürzt hat, wird als "anfängliche Kompressionsschrumpfung" bezeichnet.

Normalerweise verkürzt sich die Länge der Feder nicht mehr, nachdem sie 3-6 Mal zusammengedrückt wurde, und sie hat sich in ihrer Position "eingependelt".

Es ist wichtig zu wissen, dass die Feder nach der anfänglichen Kompression dauerhaft verformt wird.

8. Vorsichtsmaßnahmen im Frühjahr

In praktischen Anwendungen sollte eine Druckfeder ihre Arbeitslänge auch dann beibehalten können, wenn sie Kräften ausgesetzt ist, die die Elastizitätsgrenze ihres Materials überschreiten.

Folglich sollte die Länge der fertigen Feder der berechneten Länge der Feder plus der anfänglichen Kompressionsschrumpfung entsprechen. Dadurch wird verhindert, dass die Feder nicht an Ort und Stelle ist, und das Risiko einer gefährlichen Spannung beim Zusammenziehen der Federwindungen, die zu einer abnormalen Einfederung führt, wird verringert.

Bei der Wärmebehandlung der fertigen Feder, insbesondere beim Härten und Anlassen, ist es wichtig, das Werkstück waagerecht (liegend) in den Ofen zu legen, um zu verhindern, dass sich die Feder durch ihr Eigengewicht verkürzt, was zu einer Fehlfunktion führen könnte.