Zylindrische Druckfedern - druckbelastbare gewundene Metallfeder
Zylindrische Druckfedern sind weit verbreitete und vielseitige verwendete Bauteile in der Welt der Mechanik und Federntechnik.
Der Aufbau einer zylindrischen Druckfeder besteht aus einem zylindrischen Draht, der in gleichmäßigen Windungen um eine zentrale Achse gewickelt ist.
Sie zeichnen sich durch ihre zylindrische Form und ihre Fähigkeit aus, eine Druckkraft zu erzeugen bzw. eine Gegenkraft zu erzeugen, wenn sie zusammengedrückt werden.
Zylindrische Druckfedern zeichnen sich durch unterschiedliche Federenden, wie offene, geschlossene und geschliffene Enden aus.
Unterschiede zur Zugfeder:
Der wesentliche Unterschied zwischen zylindrischen Druckfedern und Zugfedern besteht darin, wie sie auf Belastung reagieren.
Während Druckfedern unter Kompression arbeiten und eine Druckkraft aufnehmen bzw. erzeugen können, werden Zugfedern unter Zugbelastung gedehnt und erzeugen eine Zugkraft.
Diese Unterscheidung ist entscheidend für den jeweiligen Einsatzbereich und die Anforderungen der Anwendung.
Die Druckfeder besitzt im Herstellungszustand einen Windungsabstand a(mm) >= 0.
Während die Zugfeder im Herstellungszustand keinen Windungsabstand besitzt a(mm) = 0.
Es gibt verschiedene Arten von zylindrischen Druckfedern, die je nach Anwendungsanforderungen ausgewählt werden können:
Zylindrische Druckfedern:
Dies ist die einfachste Form einer zylindrischen Druckfeder. Zylindrische Druckfedern haben eine gleichmäßige Windung und erzeugen
eine konstante Druckkraft entlang ihrer Federkörperlängsachse. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie beispielsweise in
industriellen Maschinen, Automobilen, Haushaltsgeräten und Elektronikprodukten.
Kegelfedern:
Kegelfedern haben eine konische Form und erzeugen eine progressive Druckkraft, die sich mit zunehmender Kompression verstärkt.
Diese Art von Druckfedern wird häufig in Fahrzeugen eingesetzt, um Stöße und Vibrationen abzufedern und eine gleichmäßige Federung zu gewährleisten.
Tonnenfedern:
Ihre tonnenförmige Bauform ermöglicht es ihr, axiale Druckkräfte aufzunehmen und zu absorbieren.
Durch die Windungen der Feder wird eine gleichmäßige Verteilung der Druckbelastung erreicht, wodurch die Feder eine hohe Steifigkeit
und eine effektive Federwirkung aufweist. Die Tonnenfeder eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen es auf eine zuverlässige Druckentlastung
und eine kontrollierte Rückstellungskraft ankommt.
Beispiele für den Einsatz von Tonnenfedern als Druckfedern finden sich in der Automobilindustrie, im Maschinenbau und in der Medizintechnik.
Zylindrische Druckfedern bieten einige besondere Merkmale, die sie für bestimmte Anwendungen besonders geeignet machen:
Hohe Federkraft:
Zylindrische Druckfedern können eine hohe Federkraft erzeugen, was sie ideal für Anwendungen macht,
bei denen eine starke Rückstellkraft erforderlich ist, wie beispielsweise in industriellen Klammern oder Spannvorrichtungen.
Große Federwege:
Zylindrische Druckfedern können große Federwege überbrücken, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen Federwege bei Kraftzunahme oder
Kraftabnahme erreicht werden sollen.
Platzsparende Bauweise:
Durch ihre zylindrische Form können Druckfedern eine große Federkraft auf kleinstem Raum erzeugen.
Dies ist besonders vorteilhaft in Anwendungen, in denen der verfügbare Bauraum begrenzt ist.
Zylindrische Druckfedern können verschiedene Arten von Federenden aufweisen, um den spezifischen Anforderungen einer Anwendung gerecht zu werden:
Offene Enden:
Druckfedern mit offenen Enden ermöglichen eine einfache Montage und Befestigung.
Sie werden oft verwendet, wenn die Feder auf einen Bolzen oder eine Welle aufgesteckt werden muss.
Geschlossene Enden:
Druckfedern mit geschlossenen Enden haben flache, geschlossene Enden.
Sie bieten eine gleichmäßige Auflagefläche und werden häufig in Anwendungen verwendet, bei denen eine präzise Druckverteilung erforderlich ist.
Geschliffene Enden:
Geschliffene Enden bieten eine verbesserte Oberflächenqualität und verringern das Risiko von Reibung oder Verschleiß in einer Anwendung.
Sie sind besonders nützlich in Präzisionsinstrumenten oder medizinischen Geräten.
Zylindrische Druckfedern sind wichtige Bauteile in einer Vielzahl von mechanischen Systemen.
Ihre Fähigkeit, eine Druckkraft bzw. Reaktionskraft zu erzeugen, macht sie ideal für Anwendungen, bei denen eine Rückstellkraft oder eine Druckbelastung benötigt wird.
Durch die Auswahl der richtigen Art von Druckfeder und die Anpassung der Federenden an die Anwendungsanforderungen können Techniker und Ingenieure
optimale Leistung und Zuverlässigkeit gewährleisten.
Druckfedern finden in einer Vielzahl von Einsatzgebieten und Anwendungen Verwendung:
Automobilindustrie:
Druckfedern werden in Fahrzeugen für verschiedene Anwendungen eingesetzt, wie z.B. in Fahrwerkskomponenten, Bremsen, Kupplungen und Lenkmechanismen.
Maschinenbau:
Druckfedern werden in Maschinen und Geräten eingesetzt, um Druck- oder Spannkräfte auszuüben, z.B. in Pressen, Stanzmaschinen, Spritzgussmaschinen und Robotern.
Elektronik:
In der Elektronikindustrie werden Druckfedern in Schaltern, Kontakten, Batteriekontakten und Steckverbindungen eingesetzt.
Medizintechnik:
Druckfedern finden Anwendung in medizinischen Geräten wie Implantaten, Spritzen, medizinischen Instrumenten und medizinischen Diagnosegeräten.
Bauwesen:
In der Bauindustrie werden Druckfedern in Türen, Fenstern, Rolltoren und Aufzügen eingesetzt, um den reibungslosen Betrieb zu gewährleisten.
Haushaltsgeräte:
Druckfedern kommen in verschiedenen Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen, Geschirrspülern, Mikrowellen und Bügeleisen zum Einsatz.
Spielzeug- und Sportgeräte:
Druckfedern werden in Spielzeugen, Sportgeräten wie Hanteln, Fitnessgeräten und Federbällen verwendet.
Dies sind nur einige Beispiele für die vielfältigen Einsatzgebiete von Druckfedern.
Aufgrund ihrer robusten Konstruktion, Zuverlässigkeit und anpassbaren Eigenschaften werden sie in einer breiten Palette
von Anwendungen eingesetzt, wo eine kontrollierte Druckkraft erforderlich ist.
Bei der Konstruktion zylindrischer Druckfedern sind verschiedene wichtige Aspekte zu beachten,
um eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit der Feder zu gewährleisten.
Einige wichtige konstruktive Aspekte sollten bei zylindrischen Druckfedern beachtet werden:
Ausknicken:
Das Ausknicken einer Druckfeder kann auftreten, wenn die Federlänge im Verhältnis zum Durchmesser zu groß ist.
Es ist wichtig, das Ausknickrisiko zu minimieren, indem man geeignete Verstärkungen wie Hülsen und Dorne einsetzt oder die Federenden geschlossen ausführt.
Reibung zu Umbauteilen:
Die Reibung zwischen der Druckfeder und den angrenzenden Bauteilen kann die Leistung der Feder beeinflussen.
Eine sorgfältige Gestaltung der Federenden sowie die Verwendung von geeigneten Werkstoffen und Oberflächenbeschichtungen können dazu beitragen,
die Reibung zu reduzieren und eine effiziente Übertragung der Federkräfte sicherzustellen.
Belastung auf Block:
Bei einer Druckfeder tritt die maximale Belastung auf, wenn alle Windungen aneinanderliegen und die Feder auf Block belastet ist.
Es ist wichtig, die Feder so auszulegen, dass sie diese Blockbelastung sicher aufnehmen kann, ohne plastisch zu verformen oder zu versagen.
Dauerfestigkeit:
Die Dauerfestigkeit einer Druckfeder ist ihre Fähigkeit, einer wiederholten Beanspruchung standzuhalten, ohne Ermüdungserscheinungen zu zeigen.
Bei der Konstruktion sollte darauf geachtet werden, dass die Feder die erforderliche Dauerfestigkeit für die gegebene Anwendung besitzt, basierend
auf den Lastzyklen und der Umgebungseinwirkung.
Schwingungsverhalten:
Druckfedern können in Anwendungen mit dynamischen Belastungen Schwingungen ausgesetzt sein. Es ist wichtig, das Schwingungsverhalten der Feder
zu analysieren und gegebenenfalls geeignete Maßnahmen zur Dämpfung oder Resonanzvermeidung zu treffen, um Schwingungsprobleme zu minimieren.
Relaxation:
Relaxation bezieht sich auf den Verlust an Spannung oder Federkraft einer Metallfedern im Laufe der Zeit bei konstanter Dehnung.
Dieser Effekt tritt aufgrund von Materialermüdung und der Anpassung des Metallfederwerkstoffs an die Belastung auf.
Bei erhöhter Temperatur kann die Relaxationseigenschaft eines Federwerkstoffs verstärkt werden, was zu einem schnelleren Verlust an Spannung und Federkraft führen kann.
Dies kann insbesondere bei Metallfedern, die unter hohen Temperaturen arbeiten, zu berücksichtigen sein.
Die Ursache für Relaxation liegt in der Materialstruktur und den Bindungsmechanismen auf atomarer Ebene.
Kriechen:
Kriechen bezieht sich auf die langsame und dauerhafte Verformung eines Federwerkstoffs unter konstanter Belastung.
Bei erhöhter Temperatur nimmt die Kriechneigung eines Materials zu, was zu einer beschleunigten Verformung und einem möglichen Verlust an Federkraft führen kann.
Dieser Effekt ist besonders relevant, wenn Federwerkstoffe langfristig hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Es tritt aufgrund der Diffusion von Atomen im Material auf, wodurch die Bindungen allmählich ihre Position verändern.
Kriechen wird durch hohe Temperaturen begünstigt, da die Atombeweglichkeit bei erhöhter Temperatur zunimmt.
Hysterese:
Hysterese tritt bei Federwerkstoffen während der Belastungs- und Entlastungsphasen auf.
Es beschreibt den Unterschied in der Federkraft zwischen dem Aufbringen einer Belastung und dem Entfernen dieser Belastung.
Bei erhöhter Temperatur kann sich die Elastizität des Federwerkstoffs ändern, was zu einer Veränderung der Hysteresekurve führen kann.
Dies kann zu einer Verschiebung der Federkraft und einer möglichen Beeinträchtigung der präzisen Steuerung der Kraft führen.
Es entsteht aufgrund von Energiedissipation im Material, beispielsweise durch elastische Verformungen und Reibungseffekte.
Hysterese kann auch durch interne Spannungen und Mikrostrukturänderungen im Material verursacht werden.
Durch die Berücksichtigung dieser Aspekte bei der Konstruktion von Metallfedern können eine optimale Leistung, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit
gewährleistet werden. Es ist wichtig, die spezifischen Anforderungen der Anwendung, Normen und Standards sowie bewährte Konstruktionspraktiken zu berücksichtigen,
um sicherzustellen, dass die Federn den nötigen Anforderungen gerecht wird.
Relaxation, Kriechen und Hysterese sind wichtige Effekte, die bei Federwerkstoffen auftreten können.
Diese Effekte können durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, einschließlich der Betriebstemperatur.
Die wichtigsten Unterschiede zwischen diesen Effekten liegen in ihrer zugrunde liegenden Ursache und den spezifischen Auswirkungen auf die Verwendung:
Relaxation bezieht sich auf den Verlust an Spannung oder Federkraft im Laufe der Zeit und kann zu einer allmählichen Verringerung der Kraft führen.
Kriechen bezieht sich auf die langsame und dauerhafte Verformung eines Federwerkstoffs unter konstanter Belastung, was zu einer möglichen
Abnahme der Federlänge und Federkraft führen kann.
Hysterese beschreibt den Unterschied in der Federkraft zwischen Belastung und Entlastung und kann die präzise Steuerung der Federkraft beeinflussen.
Bei erhöhter Temperatur verstärken sich diese Effekte (Relaxation, Kriechen, Hysterese) in der Regel, da die thermischen Bedingungen die Eigenschaften
des Federwerkstoffs beeinflussen können.
Es ist daher wichtig, bei der Auswahl von Federwerkstoffen die temperaturabhängigen Eigenschaften zu berücksichtigen und gegebenenfalls
Maßnahmen zu ergreifen, um die Auswirkungen von Relaxation, Kriechen und Hysterese zu minimieren.
Um die Effekte von Relaxation, Kriechen und Hysterese bei Federwerkstoffen zu minimieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die angewendet werden können:
Materialauswahl:
Die Auswahl des richtigen Federwerkstoffs ist entscheidend, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Es gibt spezielle Federwerkstoffe, die eine geringere
Relaxation und Kriechneigung aufweisen. Beispielsweise können hochfeste Stähle oder spezielle legierte Stähle verwendet werden, die für ihre gute Federleistung bekannt sind.
Wärmebehandlung:
Durch gezielte Wärmebehandlungen können die Eigenschaften des Federwerkstoffs optimiert werden. Eine solche Behandlung kann die Relaxation und Kriechneigung reduzieren.
Beispielsweise kann eine Spannungsarmglühung den inneren Spannungszustand des Materials verbessern und die Relaxation verringern.
Federkonstruktion:
Die Gestaltung der Feder selbst kann einen Einfluss auf die Effekte haben. Eine sorgfältige Auslegung der Federgeometrie,
wie zum Beispiel die Wahl der richtigen Drahtdicke, Windungszahl und Federsteigung, kann dazu beitragen, die Effekte zu minimieren.
Oberflächenbehandlung:
Eine spezielle Oberflächenbehandlung wie Beschichten oder Veredeln des Federwerkstoffs kann die Reibung und den Verschleiß reduzieren.
Dies kann dazu beitragen, die Hysterese zu verringern und die Lebensdauer der Feder zu verlängern.
Temperaturkontrolle:
Die Betriebstemperatur kann einen erheblichen Einfluss auf die Effekte haben. Wenn möglich, kann die Temperaturkontrolle eine Möglichkeit sein,
die Auswirkungen von Relaxation, Kriechen und Hysterese zu reduzieren. Dies kann durch den Einsatz von Wärmeschutzmaßnahmen oder einer gezielten Kühlung erreicht werden.
Druckfedern mit unterschiedlichem Kraft-Weg-Verlauf - drei gängige Verlaufstypen:
Linearer Verlauf:
Bei einer linearen Druckfeder bzw. linearem Kraft-Weg-Verlauf erhöht sich die Federkraft über den gesamten Federweg gleichmäßig.
Diese Druckfedern werden als Zylinderdruckfedern oder zylinderförmige Druckfedern bezeichnet.
Diese Federn haben eine konstante Steigung der Federkraft, unabhängig vom Ausmaß der Kompression.
Ein linearer Kraft-Weg-Verlauf wird in vielen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine gleichmäßige und vorhersehbare Federkraft erforderlich ist, wie z.B. in mechanischen Baugruppen oder Werkzeugen.
Progressiver Verlauf:
Bei einer progressiven Druckfeder bzw. progressiven Kraft-Weg-Verlauf nimmt die Federkraft mit zunehmendem Federweg stärker zu als bei linearem Verlauf.
Diese Druckfedern werden als Tonnendruckfedern, Tonnenfedern oder tonnenförmige Druckfedern bezeichnet.
Das bedeutet, dass die Federkraft nicht linear, sondern mit zunehmender Kompression des Federwegs stärker ansteigt.
Dieser Verlauf wird durch eine spezielle Drahtwicklung erzielt, bei der die Windungen enger zusammenliegen, je weiter die Feder komprimiert wird.
Progressive Federn bieten eine zunehmende Widerstandskraft bei stärkerer Belastung und werden oft in Anwendungen eingesetzt,
in denen eine verstärkte Federung oder eine steigende Belastbarkeit erforderlich ist, wie z.B. in Fahrwerkskomponenten von Fahrzeugen oder in industriellen Maschinen.
Degressiver Verlauf:
Bei einer degressiven Druckfeder bzw. degressiven Kraft-Weg-Verlauf nimmt die Federkraft mit zunehmendem Federweg stärker ab als bei linearem Verlauf.
Diese Druckfedern werden als Kegeldruckfedern, Kegelfedern oder kegelförmige Druckfedern bezeichnet.
Dieser Verlauf wird durch eine spezielle Drahtwicklung oder durch Veränderungen in der Federgeometrie erreicht.
Degressive Federn werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine sanfte Federung oder eine Nachgiebigkeit bei geringen Belastungen erforderlich ist.
Diese drei Verlaufstypen sind die gängigsten Varianten für zylindrische Druckfedern mit nichtlinearem Kraft-Weg-Verlauf.
Die Auswahl des richtigen Verlaufs hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, wie der gewünschten Federkraft,
dem Komprimierungsbereich und dem gewünschten Fahrverhalten. Es ist wichtig, die technischen Anforderungen sorgfältig zu analysieren und
gegebenenfalls eine maßgeschneiderte Feder zu entwickeln, um den gewünschten Kraft-Weg-Verlauf zu erreichen.
Der Federndraht wird bei Druckfedern auf Torsion belastet.
Die Berechnung der Festigkeit von Druckfedern erfolgt demnach mit den analytischen Torsionsgleichungen für Draht.
Hierbei ist der G-Modul eine wichtige Materialeigenschaft. Zusätzlich werden Druckfedern meist auf Dauerfestigkeit ausgelegt.
Dabei sind Dauerfestigkeitsdiagramme für Torsion des Federnwerkstoffs bzw. Federdrahts von entscheidender Bedeutung.
Druckfedern: Kleine Federn mit maximaler Wirkung
Die wohl populärste Form unter den technischen Federn sind die Druckfedern.
Jeder kennt sie. Bekannt wurden Druckfedern vor allem durch die Verwendung im Kugelschreiber.
Dabei kommen Druckfedern in fast allen industriellen Bereichen und in allen Größenordnungen zum Einsatz.
Was zunächst den Eindruck macht, als handele es sich bei ihnen um ein „simples“ Bauteil, stellt sich in der Entwicklung
oft als anspruchsvolle Aufgabe dar. Die Reiner Schmid Produktions GmbH hat sich auf die Fertigung hochwertiger Druckfedern
spezialisiert und bietet Ihnen in diesem Bereich eine große Auswahl an unterschiedlichen Größen und Ausführungen.
Bei der Fertigung der Druckfedern richten wir uns nach Ihren Wünschen, sodass die Herstellung von
individuellen Federn für Sie möglich ist.
Variantenreiche Möglichkeiten
Auch die Möglichkeiten der Druckfedern können variantenreich sein.
In der Standardvariante bestehen Druckfedern aus einem zylindrischen Federkörper mit einem Federdraht in einer bestimmten Drahtstärke.
Der Federkörper hat eine Länge (L0) und einen bestimmten Durchmesser (Di, Da). Die Windungsanzahl wird meist
mit „gesamt“ (nt oder ig) und „federnd“ (n oder if) definiert, wobei Folgendes gilt: nt = n +2. In der Standardvariante haben
Druckfedern also an jedem Ende eine Windung, die nicht steigend, sondern angelegt wird. Meistens werden Druckfedern rechts
herum gewickelt gefertigt. Druckfedern über einem Drahtdurchmesser von d = 1,0 werden häufig an den Federenden geschliffen,
um eine plane Auflage zu erzeugen.
Schleifen von Druckfedern
Die Produktion von Druckfedern setzt sich, wie die Herstellung anderer Federn, aus mehreren Schritten zusammen.
Ein wesentlicher Bestandteil der Produktion von Druckfedern ist das Schleifen. Das Schleifen der Federenden ist jedoch ein
kosten- und qualitätsintensiver Prozess, der mit Bedacht gewählt wird.
Bei dünneren Drahtstärken kann meistens auf das Schleifen der Federenden verzichtet werden.
Neben ihnen gibt es weitere Ausführungen von Druckfedern.
Zu ihnen gehören „konische“ Ausführungen, bei denen die Windungen nicht auf „Block“ sondern bei Betätigung ineinander gehen.
Darüber hinaus werden Druckfedern als doppelt-konisch oder tonnenförmig angeboten. Auch Druckfedern mit unterschiedlichen Steigungsmaßen
in den Windungen, sowie mit mehreren angelegten Bereichen der Windungen im Federkörper kommen zum Einsatz.
In selteneren Fällen werden Druckfedern auch links gewickelt gefertigt. Bei uns erhalten Sie sämtliche Bauformen.
Auf Wunsch übernehmen wir für Sie auch Sonderanfertigungen von Druckfedern.
Für die Herstellung von Druckfedern aller Art und Größe greifen wir auf einen modernen Maschinenpark zurück.
Dies ermöglicht es uns, auf Ihre eigenen Wünsche zu reagieren. Druckfedern müssen wie andere technische Federn auch besonders
präzise gefertigt sein. Damit dies möglich ist, stimmen wir Ihre Wünsche im Voraus genauestens mit den Möglichkeiten ab.
Dadurch garantieren wir optimale Ergebnisse.
Ihr Ansprechpartner für die Herstellung von technischen Metallfedern:
Christian Neumann
Tel: 0212 / 3824187-3
neumann@schmid-federn.de