Das Goodman-Diagramm ermöglicht die Darstellung der Dauerfestigkeit von Schraubenfedern. Zurückzuführen ist es auf das Smith-Diagramm. Dieses wird für die Berechnung der Dauerfestigkeit dynamisch beanspruchter Bauteile, bei denen die Belastung schwellend oder wechselnd ist, verwendet. Im Goodman-Diagramm wird hingegen nur die schwellende Belastung erfasst. Denn Schraubenfedern, wie Druckfedern oder Zugfedern, werden jeweils nur in eine Richtung beansprucht – entweder auf Zug oder auf Druck.

Wie wird die Dauerfestigkeit von Schraubenfedern ermittelt?

Als Grundlage für die Federnberechnung dient das Smith-Diagramm. Dieses wiederum richtet sich nach dem Wöhler-Verfahren, mit dem die Betriebsfestigkeit unterschiedlicher Bauteile erfasst wird.

Ermittlung der Wöhlerkurve

Mit geeigneten Probemaschinen werden Schraubenfedern so lange Schwingversuchen mit unterschiedlich hohen Spannungsausschlägen ausgesetzt, bis das Material bricht oder eine ausreichende Anzahl der Proben die Grenzschwingspielzahl ohne Bruch erreicht. Die Zeit- und Dauerfestigkeitswerte werden in einem Wöhler-Diagramm festgehalten und die Nennspannungsamplitude darin über der Schwingspielzahl dargestellt. Durch die Anwendung statischer Auswerteverfahren erhält man als Begrenzung des Streufeldes die sogenannten Wöhler-Linien. Die Überlebenswahrscheinlichkeit der Proben beträgt damit 90 Prozent.

Ableitung des Smith-Diagramms

Aus der Vielzahl von Wöhler-Linien, die für unterschiedliche Beanspruchungsverhältnisse ermittelt wurden, entsteht das Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith. Dieses beinhaltet sowohl Wechsel- als auch Schwellfestigkeiten und dient als Grundlage für das daraus abgeleitete vereinfachte Goodman-Diagramm.

Das Dauerfestigkeitsschaubild von Goodman

Das abgebildete Goodman-Diagramm stellt den möglichen Dauerfestigkeitsbereich des Federwerkstoffes zwischen der Oberspannung ƬkO und der Unterspannung ƬkU für eine Lastspielzahl von 10⁷ Lastwechseln dar. Die Druckfeder ist dauerfest, wenn die berechnete Hubspannung ƬkH (Ƭk1 bis Ƭk2) innerhalb des eingegrenzten Dauerfestigkeitsbereiches bleibt.

Ragt die Hubspannung im Goodman-Diagramm jedoch über die Dauerfestigkeitsgrenze hinaus, ist die Metallfeder nicht dauerfest und muss erneut berechnet werden:

Das Goodman-Diagramm wird bei der Dauerfestigkeitsberechnung von Druckfedern im Federnberechnungsprogramm WinFSB ausgewiesen.

Weitere informative Links:

• Federberechnungsprogramm WinFSB

• Beanspruchungsarten Druckfedern

• Beanspruchungsarten Zugfedern

Der Begriff Dauerfestigkeit stammt aus der Werkstoffkunde. Er bezeichnet das Verformungs- sowie das Versagens-Verhalten eines schwingenden (dynamisch) belasteten Werkstoffs für eine definierte Anzahl von Zyklen. Besonders bei stark beanspruchten Druckfedern ist es wichtig, die Dauerfestigkeit zu erfassen.

Wie wird die Dauerfestigkeit ermittelt?

Die Dauerfestigkeit wird mit Hilfe des Wöhlerversuchs berechnet, aus dessen Ergebnissen sich die sogenannte Wöhlerkurve in einem Dauerfestigkeitsschaubild skizzieren lässt. Abhängig von der Auschlagsspannung gibt sie die Zahle der Lastwechsel an, die der Werkstoff erträgt. Die Kurve in der Abbildung zeigt zudem, dass der Bruch bei Spannungen deutlich unterhalb der Zugfestigkeit R_m auftritt. Die Wöhlerkurve lässt sich in Dauerfestigkeit, Zeitfestigkeit und Kurzzeitfestigkeit aufteilen.

K gibt den Bereich der Kurzzeitschwingfestigkeit oder auch Kurzzeitfestigkeit unterhalb von etwa 10⁴ bis 10⁵ Schwingspielen an. Besonders bei hohen plastischen Dehnamplituden tritt diese Ermüdung häufig auf und führt zu einem vorzeitigen Versagen. Die Kurzzeitfestigkeit hat für technische Anforderungen allerdings nur eine niedrige Bedeutung.

Z  kennzeichnet den Bereich der Zeitschwingfestigkeit (kurz: Zeitfestigkeit) oder auch Betriebsfestigkeit zwischen 10⁴ und materialabhängig etwa 2·10⁶ Schwingspielen. Die Wöhlerkurve verläuft darin bei einer doppellogarithmischen Darstellung fast gerade.

D markiert die Dauerschwingfestigkeit oder kurz Dauerfestigkeit. Bei ferritisch-perlitischen Stählen fängt diese bei etwa  1-5·10⁶ Lastwechseln an. Ständige Korrosion sowie stark erhöhte Temperaturen, denen ein Bauteil ausgesetzt ist, führen dazu, dass die Dauerfestigkeit nicht mehr sichergestellt werden kann. Als prozentualer werkstoffabhängiger Kraftverlust muss neben der Dauerfestigkeit stark beanspruchter Druckfedern auch die Relaxation berücksichtigt werden.

Hier finden Sie Näheres zu der Relaxation bei Metallfedern , der Dauerfestigkeitsberechnung von Druckfedern (Video) und ein paar Dauerfestigkeitsschaubilder unterschiedlicher Federwerkstoffe aus dem Buch Roloff/Matek „Maschinenelemente“ (Seite 102/103).

Weitere Informationen:

• Goodman-Diagramm

• Beanspruchungsarten Druckfedern

• Beanspruchungsarten Zugfedern

• Federnberechnung WinFSB online

Bei konischen Druckfedern verändert sich der Durchmesser der Bauform zu den Enden hin, das heißt wird größer oder kleiner. Zum Einsatz kommen sie hauptsächlich dann, wenn der Bauraum in axialer Richtung beschränkt ist. Die Besonderheit: Die Windungen bei konischen Druckfedern fallen ineinander. Damit entspricht die Blockhöhe etwa der doppelten Drahtdicke und ist dadurch wesentlich geringer als bei zylindrischen Druckfedern. Die Federn können sowohl mit linearer als auch mit progressiver Federkonstante konstruiert werden. Im Normalfall ist die Ferderrate oder Federkonstante progressiv. Das bedeutet, dass die Federkraft bei steigender Belastung zunimmt. Eine lineare Konstante wird erreicht, indem die Gewindesteigung dem Federdurchmesser entsprechend geändert wird. Dann bleibt die Federkennlinie während der Belastung konstant. Konische Federn werden nach EN 13906-1 berechnet.

Bauformen konischer Druckfedern

Zylindrische Druckfeder: Als normale Druckfeder bezeichnet man eine Feder mit einer zylindrischen Bauform sowie einer linearen Kennlinie.

Einfache konische Druckfeder: Bei diesem Federntyp verkleinert sich der Windungsdurchmesser von Dy nach Di. Die Federkennlinie ist dabei meist progressiv ansteigend. Die Feder hat in der Regel ein offenes und ein eingerolltes Ende, das auch als Pigtail bezeichnet wird.

Doppelkonische Druckfeder: Die doppelkonische Druckfeder wird auch als Tonnenfeder bezeichnet, da beide Federenden einen kleineren Windungsdurchmesser aufweisen, als die Mitte. Sie besitzt meist eine progressive Federkennlinie.

Miniblockfeder: Der Begriff Miniblockfeder geht auf den angepassten Windungsdurchmesser zurück:

Wird die Miniblockfeder auf eine kurze Länge zusammengedrückt, passt der größte Teil der Windungen ineinander, ohne sich zu berühren. Dieser Federntyp wird häufig in der Achsfederung eines Autos eingesetzt – je nach Anforderung für eine lineare Federrate mit variablen Windungen oder für eine progressive, sich steigernde Federrate mit konstanten Windungen. Ein großer Vorteil ist die kleine und dadurch platzsparende Blocklänge der Feder. Von Nutzen ist dies zum Beispiel auf der hinteren Seite eines Fahrzeugs, bei dem eine flache Beladungsfläche gefordert wird.

Taillenfeder: Der Windungsdurchmesser der Taillenfeder oder doppelkonischen Druckfeder vergrößert sich zu den Federnenden hin. Die Federkonstante bzw. Federkennlinie ist progressiv. Zum Einsatz kommt sie beispielsweise zur Polsterung von Sesseln, Sofas und Matratzen.

Bienenkorbfeder: Die Bienenkorbfeder besitzt durch die reduzierte Masse des einseitigen eingerollten Endes sehr gute dynamische Eigenschaften.

Bei Bedarf an einer konischen Druckfeder senden Sie Ihre Anforderungen, mit Hilfe des Anfrageformulars oder einer Zeichnung, einfach an technik@gutekunst-co.com. Wir erstellen Ihnen gerne ein Angebot.

Weitere Informationen:

• Konische Druckfedern Anfrageformular

• Bauformen Metallfedern

• Eigenschaften Metallfedern

• Die passende Metallfeder

• Gutekunst Federnkatalog

Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern sind typische C-Teile: Sie stehen nicht im Fokus des Beschaffungsprozesses, werden aber in nahezu allen technischen Anwendungen verbaut. Dabei sind die Anforderungen an die Federauslegung sehr vielseitig und individuell. Druck, Zug- oder Biegebelastung? Klein oder groß? Mit geformten Enden oder geradlinig? Extrem widerstandsfähig oder Standard? Lineare oder progressive Kennlinie?

Da ist es wichtig, dass der Federnanbieter flexibel auf Kundenwünsche reagieren und neben den schnell ab Lager verfügbaren Standardfedern auch individuelle Spezialfedern liefern kann. Gutekunst Federn bietet mit seinem umfangreichen Katalogprogramm mit 12.603 Federbaugrößen ab Lager und der individuellen Federnherstellung bis 12 Millimeter Drahtstärke genau diese Flexibilität. Passt eine der Katalogfedern in klassischer zylindrischer Bauform in Normalstahl EN 10270-1 und rostfrei 1.431, dann ist der Bedarf schnell gedeckt. In speziellen Anwendungsfällen wird die Feder genau auf die Einbausituation und die individuellen Anforderungen abgestimmt: als zylindrische Feder, Kegelfeder, Tonnenfeder oder Bienenkorbfeder mit variablen Federkennlinien und Windungsabständen. Dabei erfolgt die Auslegung und Berechnung der Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern nach DIN EN 13906 mit verschiedenen Konstruktionshilfsmitteln und dem Erfahrungsschatz von Gutekunst Federn.

Metallfedern sind kleine Kraftspeicher, die bei Belastung Energie aufnehmen und bei Entlastung wieder abgeben. Abhängig von den Anforderungen wird jede Feder aus Federstahldraht an einem Federwindeautomat hergestellt. Die Metallfeder ist somit ein rein mechanisches Produkt. Damit kommt der Federauslegung eine hohe Bedeutung zu, denn eine nachträgliche Änderung über ein Software-Update oder eine Funktionsanpassung ist nicht möglich. Folglich erfordert die Entwicklung einer Metallfeder besondere Aufmerksamkeit und auch spezielle Konstruktionshilfsmittel wie ein Federnberechnungsprogramm, nutzenstiftende Informationen und Konstruktionsdaten in Form von CAD-Daten und Diagrammen. Und außerdem natürlich einen erfahrenen Federnhersteller, der die geforderten Eigenschaften durch das richtige Winden von Federstahldraht erreicht.

Gutekunst ist so ein erfahrener Federnhersteller, der seit 1963 Metallfedern aus Federstahldraht herstellt. Gutekunst Federn ist aber auch ein Service-Dienstleister und Entwicklungshelfer rundum die Federntechnik, der für seine Kunden und Interessenten die richtigen Servicetools zur Federnentwicklung zur Verfügung stellt.

Gutekunst-Servicetools zur Auslegung von Metallfedern:

Federnblog mit vielen interessanten Beiträgen rundum Metallfedern

Unter https://blog.federnshop.com steht seit 2015 ein Infoblog über das Thema Metallfedern für jedermann zur Verfügung. Egal, ob ein Techniker auf der Suche nach Materialeigenschaften ist oder ein Ingenieur Berechnungsformeln zur Federnberechnung benötigt: Der von Gutekunst Federn geführte Infoblog dreht sich komplett um das Thema Metallfedern. Neben tief gehenden Produktinformationen vermittelt der Infoblog vor allem technisches Wissen und Know-how. Ein Redaktionsteam erstellt laufend interessante Beiträge zum Thema Metallfedern. Gerne werden auch Kundenanfragen zu ganz speziellen Themen aufbereitet. Hierfür können über das Fragezeichen „?“ rechts oben im Infoblog alle Fragen zum Thema Metallfedern gestellt werden, die schon immer von Interesse waren.

Federnberechnungsprogramm WinFSB

300.000 Installationen weltweit und 2.500 Online-Zugriffe täglich zeigen es deutlich: Mit dem unabhängigen, kostenlosen Federnberechnungsprogramm WinFSB deckt Gutekunst Federn die Bedürfnisse vieler Konstrukteure, Studenten und Federninteressierter ab.

WinFSB ist ein Federnberechnungsprogramm für Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern, das nach der Deutschen Norm für Federn und dem Erfahrungsschatz von Gutekunst Federn entwickelt wurde. Die Berechnung kann nach unterschiedlichsten Varianten durchgeführt werden, beispielsweise ob die Metallfeder nach Weg- und Kräfteverhältnissen berechnet werden soll oder einfach nach Baumaßeigenschaften. Das Federnberechnungsprogramm berechnet die gewünschte Metallfeder mit allen wichtigen Parametern, bietet zusätzlich verschiedene Diagramme, wie beispielsweise das Goodman-Diagramm, und eine direkte Schnittstelle zum Gutekunst CAD-Generator für 2D- und 3D-CAD-Daten. Das Federnberechnungsprogramm WinFSB steht als Online-Federnberechnung und Offline-Federnberechnung (PC-Version) jedermann frei zur Verfügung.

CAD-Generator, um die berechnete Metallfeder gleich in die Konstruktion einzubauen

Konstrukteure arbeiten heute ausschließlich mit CAD-Programmen. Das verstärkt grundsätzlich den Trend zu Standardprodukten. Hier liegen die CAD-Daten bereits vor, die Konstrukteure verlieren keine Zeit: Einfach auf der Anbieter-Website die Daten herunterladen und in das Konstruktionsprogramm einspielen. Gutekunst Federn bietet jedoch neben seinem CAD-Daten-Angebot für das Standardfedernprogramm auch direkt CAD-Daten für individuell berechnete Metallfedern an. Damit kann jeder Konstrukteur seine Wunschfeder über WinFSB berechnen und anschließend sofort im 2D- und 3D-Format herunterladen. So ist es für individuelle CAD-Daten schon ausreichend eine einfache Baumaßberechnung nach Drahtstärke „d“, äußerem Windungsdurchmesser „De“, ungespannt Länge „L0“ und Anzahl der Windungen durchzuführen, um die benötigten CAD-Daten zu erhalten. Gleich testen, hier geht’s zum Federnberechnungsprogramm WinFSB.

Das „Federn 1×1“, eine 24-seitige Informationsbroschüre

Das „Federn 1×1″ von Gutekunst Federn ist eine kostenlose, 24-seitige Konstruktions- und Informationsbroschüre für Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern. Das „Federn 1×1“ liefert neben Berechnungsgrundlagen, form- und materialspezifischen Angaben sowie Informationen zu Bearbeitung und Betriebsverhalten auch direkte Verweise zu weiterführenden Programmen im Internet. Die leicht verständliche Broschüre richtet sich an erfahrene Konstrukteure, aber auch an Konstruktionseinsteiger. Die Informationsbroschüre kann kostenlos unter service@gutekunst-co.com als Printversion angefordert werden, oder hier als PDF-Version heruntergeladen werden.

Selbstverständlich übernimmt die Technik- und Entwicklungsabteilung von Gutekunst Federn bei Bedarf auch die komplette Entwicklung der gewünschten Metallfeder. Senden Sie einfach Ihre Anforderungen oder eine Zeichnung der gewünschten Metallfeder an die E-Mail-Adresse technik@gutekunst-co.com.  Auf die Schnelle erreichen Sie die Technik- und Entwicklungsabteilung telefonisch unter  (+49) 07123 960-193.

Sicherungselemente sind kleine, fast unscheinbare Maschinenkomponenten, die nahezu in jeder Konstruktion zum Einsatz kommen. Die formschlüssigen Bauteile schützen und begrenzen als  Führungselemente andere Maschinenteile gegen axiales Spiel. Die Sicherungselemente sind in vielen Ausführungen erhältlich. Damit eigenen sie sich für unterschiedliche Anwendungen.

Nachfolgend eine Auswahl an Sicherungselementen von Gutekunst Federn:

Sprengringe

Sprengringe sind Sonderformen des Sicherungsrings. Im Maschinenbau hindern sie formschlüssig Bauteile wie Räder, Dichtelemente und Lager auf Achsen, Wellen oder innerhalb von Bohrungen daran, sich axial zu verschieben. Diese Sonderformen sind vielseitig anwendbar und bieten in vielen Fällen die kostengünstigste Lösung.  Sprengringe gibt es in zweierlei Ausführungen:

• Als Sprengring DIN 7993 für Wellen Ausführung A. Ihr Einsatz erfolgt in halbrunden Nuten auf einer Achse oder Welle.

• Als Sprengring DIN 7993 für Bohrungen Ausführung B. Sie werden ebenfalls in halbrunden Nuten innerhalb einer Bohrung oder Hülse eingesetzt.

Gutekunst Federn bietet Sprengringe für Wellen und Bohrungen in Normalstahl EN 10270-1 und Edelstahl EN 10270-3-1.4310 ab Lager in verschiedenen Abmessungen an.

Federstecker

Federstecker sichern axiale Bolzen, Achsen und Verdrehsicherungen, wie etwa Kronenmuttern. Sie gehören zu den schnellen Sicherungselementen. Je nach Maß des Bolzens, der gesichert werden soll, sind die Stecker in verschiedenen Größen und zwei verschiedenen Ausführungen erhältlich:

• Als Federstecker einfach mit einer Windung

• Als Federstecker doppelt nach DIN 11024 mit zwei Windungen. Der Kraftschluss des Federsteckers ist durch die doppelte Windung geringer. Der Anwender kann somit das Element durch die zweite Windung leichter setzen und ziehen.

Hier geht es zur Artikelauswahl von Federsteckern einfach und Federsteckern doppelt in Normalstahl EN 10270-1 und Edelstahl EN 10270-3-1.4310

Fokkernadeln oder Sicherungsklammern

Die Fokkernadel, auch als Sicherungsklammer bezeichnet, sichert Schraubverbindungen. Sie kommt vor allem in der Luftfahrt, aber auch in vielen weiteren Anwendungen zum Einsatz. Sie verhindert das ungewollte Lösen von Schrauben, das unter anderem durch Vibrationen verursacht werden kann. Dazu wird die Fokkernadel durch die Krone und das Gewindeloch geführt.

Hier geht es zur Artikelauswahl Fokkernadeln / Sicherungsklammern in Normalstahl EN 10270-1 und Edelstahl EN 10270-3-1.4310

Die folgenden Produkte gehören ebenfalls zu den Sicherungselementen:

• Splinte
• Stellringe
• Sicherungsscheiben
• Kronenmuttern
• Setzsicherung
• Spannscheiben
• Verliersicherung
• Losdrehsicherung

Nachfolgend eine Auswahl an möglichen Schenkelabbiegungen bei Schenkelfedern. Diese Schenkelabbiegungen gibt es leider nicht im Standardprogramm, können aber individuell hergestellt werden. Bei Bedarf senden Sie uns bitte eine Skizze/Zeichnung der Schenkelfeder mit den gewünschten Abbiegungen an technik@gutekunst-co.com.

Die Steigung bei Federn, auch Windungssteigung gennant, bezeichnet den Abstand zwischen ihren einzelnen Windungen. Gemessen wird sie parallel zur Längsachse von Drahtmitte zu Drahtmitte.  Die Steigung einer Druckfeder ist besonders wichtig, weil sie sich direkt auf das Federungsverhalten auswirkt. Eine Feder, die bei gleicher Länge eine größere Steigung aufweist, ist beispielsweise stärker als eine Feder mit geringer Steigung.

Mit folgenden Formeln lässt sich die Steigung von Druckfedern berechnen:

• Druckfedern mit angelegten und geschliffenen Federenden:

• Druckfedern mit nicht angelegten und ungeschliffenen Federenden:

Dabei gilt:

S = Steigung

L0 = Länge der unbelasteten Feder

d = Drahtdurchmesser

n = Windungszahl

Um die verschiedenen Federeigenschaften bei unterschiedlichen Steigungen  nutzen zu können, gilt es bei der Windungssteigung sowohl den Mindestabstand als auch die maximale Steigung zu beachten.

Der Mindestabstand zwischen wirksamen Windungen kann folgendermaßen berechnet werden:

Die maximale Steigung lässt sich mit folgender Formel bestimmen:

Dabei gilt:

Sa = Mindestabstand

Smax = Maximale Steigung

D = Mittlerer Windungsdurchmesser

d = Drahtdurchmesser

n = Windungszahl

Di = Innerer Windungsdurchmesser

In seltenen Ausnahmefällen kann die maximale Steigung auch das 0,7-fache des inneren Windungsdurchmessers übersteigen. Um auch dann eine fehlerfreie Funktion der Feder sicherzustellen, müssen alle Federparameter auf ihre Machbarkeit hin überprüft werden.

Um die Steigung zu berechnen, bietet Ihnen Gutekunst das Federnberechnungsprogramm WinFSB zur freien Verfügung. Damit können Sie selbst die Auswirkung der unterschiedlichen Steigungen testen. Verändern Sie dazu die Windungsanzahl „n“ auf der Eigenschaftenseite.

Benötigen Sie ein komplette Federauslegung? Dann senden Sie einfach Ihre Federeigenschaften an technik@gutekunst-co.com.

Weitere Informationen:

• Formelsammlung Druckfedern

• Formelsammlung Zugfedern

• Formelsammlung Schenkelfedern

Ob Federstahl, -bronze oder Messingdraht – jeder Federwerkstoff besitzt eine spezifische Festigkeit. Diese bestimmt den Grad des mechanischen Widerstands, beispielsweise wenn es zu einer plastischen Verformung oder Trennung kommt. Die Kennwerte für die Festigkeit können mit einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm ermittelt werden.

Folgende Faktoren können die Festigkeit der Werkstoffe beeinflussen:
• Die Art und der Zustand eines Federwerkstoffs
• Die Temperatur bei der Bearbeitung
• Die Belastungsgeschwindigkeit
• Die Belastungsstärke

Vor allem die Belastungen, denen eine Feder ausgesetzt ist, beeinflussen die Festigkeit unmittelbar. Unterscheiden lassen sich daher die Arten von Festigkeiten in der direkten Abhängigkeit der Beanspruchung.

Zeitliche Differenzierung:
• Bei der statischen Festigkeit ist die Belastung ruhend.
• Bei der dynamischen Festigkeit, auch Dauerfestigkeit genannt, verändert sich die Belastung. Diese Festigkeit bezeichnet das Verformungs- sowie das Versagens-Verhalten eines schwingenden (dynamisch) belasteten Werkstoffs für eine bestimmte Anzahl von Zyklen. Sie wird mit Hilfe des Wöhlerversuchs berechnet.

Differenzierung nach der Art oder der Richtung der Belastung:
• Zugfestigkeit: Sie steht für die höchste mechanische Spannung im Werkstoff während eines Zugversuchs.
• Druckfestigkeit: Sie beschreibt die Widerstandsfähigkeit des Federwerkstoffs unter der Einwirkung von Druckkräften.
• Biegefestigkeit: Sie bezeichnet die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs beim Biegen.

Für die Auswahl eines Federwerkstoffs spielt vor allem die Zugfestigkeit eine bedeutende Rolle. Wichtig für die mechanische Auslegung der Feder ist dabei der Mindestwert, sprich der garantierte Festigkeitswert.

Hier finden Sie ein Auswahl an Federwerkstoffen mit hoher Dauerfestigkeit:

Was bewirkt die Relaxation bei Metallfedern? Diese hat wenig mit einer Erholungsphase der Feder zu tun, sondern beschreibt den ungewollten zunehmenden Kraftverlust der Feder bei steigender Umgebungstemperatur und Belastungsdauer. Oder was ist eine Federkonstante und warum gibt es sie in einer linearen, progressiven oder degressiven Variante? Wenn Sie sich solche Fragen auch schon einmal gestellt haben oder einfach mehr zu diesen Themen erfahren möchten, dann sind Sie beim Gutekunst Federn Infoblog unter blog.federnshop.com in besten Händen. So heißt der neue Wissens- und Informationskanal von Gutekunst rund um das Thema Metallfedern. Dort finden Sie interessante und nützliche Themen zu Federeigenschaften, Federanwendungen, Konstruktions- und Auslegungsfragen, Federberechnungsvorgaben, dazu Feder-Basiswissen und umfangreiche Werkstoff- sowie Oberflächeninformationen.

Dabei werden die Themen lösungsorientiert aufbereitet und sinnvoll mit weiterführenden Informationen und Anwendungstools vernetzt. Gutekunst Federn bietet damit umfangreiche sinnstiftende Informationen zu unterschiedlichen federtechnischen Problemen und Lösungen. Unter Grundlagenwissen werden Themen wie die verschiedenen Beanspruchungsarten oder die unterschiedlichen Bauformen von Metallfedern behandelt. Auch werden die Besonderheiten von Misch-, Reihen- und Parallelschaltungen von Federn erklärt. Grundlegende Federbegriffe wie „Federkonstante“, „Goodman-Diagramm“ und „Elastizitätsmodul“ werden im Wissens- und Infoblog täglich hundertfach nachgelesen.

Für Konstruktion und Auslegung werden viele anspruchsvolle Federberechnungsthemen beschrieben, zum Beispiel die „Federauslegung in zwei Stufen mit dem Funktions- und Festigkeitsnachweis“. Oder: „Was bedeutet der Setzbetrag bei Druckfedern?“. Auch Anwendungstipps für Metallfedern im Extremfall oder die Auswahl der passenden Feder sind Thema auf Gutekunst Federn Info.

Das Beste am Infoblog von Gutekunst Federn ist jedoch seine Dynamik: Wöchentlich kommt ein interessanter Beitrag hinzu, und unter dem „?“ kann jeder Nutzer seine individuellen Fragen zum Thema Metallfedern stellen. Denn auch wenn der Infoblog laufend mehr Wissen offeriert, geht doch nichts über eine kompetente Antwort auf eine konkrete Frage! Besuchen Sie einfach den Gutekunst Federn Infoblog unter blog.federnshop.com, wenn Sie Informationen benötigen oder eine Frage zu Metallfedern haben. Oder manchmal noch einfacher: Geben Sie Ihre Federnfrage bei Google ein. In der Regel finden Sie die Gutekunst Federninformation/-antwort auf den ersten Google-Suchergebnisplätzen.

Vielen Dank für Ihr Interesse an Wellenfedern!

Gutekunst Federn überlegt, künftig auch Wellenfedern in das Produktangebot aufzunehmen.

Bitte unterstützen Sie uns bei dieser Entscheidung und nehmen Sie an folgender Abstimmung teil.

Bei dieser Abstimmung werden keine persönlichen Daten erfasst. Danke!

Nähere Informationen zu Wellenfedern:

Wellenfedern – auch axiale Wellenfedern oder Wellfedern genannt – sind aus gewundenem Flachdraht gefertigt. Ihre Federwirkung erhalten sie durch die eingearbeitete Welle. Mit einer reduzierten Einbauhöhe von bis zu 50 Prozent gegenüber herkömmlichen Druckfedern, sind sie bei statischem bis mittlerem dynamischem Einsatz eine platzsparende Alternative. Trotz ihrer reduzierten Bauhöhe können Wellenfedern die gleiche Kraft wie Druckfedern erzeugen. Die geforderte Federkonstante lässt sich durch die Anzahl der Windungen, der Wellen sowie der Wellengrößen bestimmen und herstellen. In der Regel wird die Federkonstante bei Wellenfedern nur linear umgesetzt.

Vorteile von Wellenfedern:

• Eignen sich optimal für enge radiale und axiale Bauräume
• Weniger Gewicht als vergleichbare Druckfedern
• Gleiche Kraft bei reduziertem Einbauraum

Nachteile von Wellenfedern:

• Höhere Herstellungskosten
• Kleinerer Federweg, der jedoch mit einer Reihenschaltung einfach vergrößert werden kann.
• Größere Hysterese aufgrund der baulichen Eigenschaften

Die richtige Metallfeder für den gewünschten Einsatzzweck auszuwählen ist nicht immer einfach. In vielen Fachbüchern mit konstruktiven Grundlagen wird das Thema Federn sehr allgemein abgehandelt.

Falls Sie auf der Suche nach einer Standardfeder sind, finden Sie in unserem Lagerprogramm ein umfangreiches Federnsortiment mit 12.600 Baugrößen in Normalstahl und Edelstahl. Wenn nicht, haben wir nachfolgend die wichtigsten Parameter zur Auswahl der passenden Metallfeder zusammengestellt.

Zu Beginn eine kurze Übersicht zu den unterschiedlichen Federnarten:

Druckfedern

Druckfedern werden mit Abstand am häufigsten eingesetzt. Das liegt nicht nur an der Richtung der Krafteinwirkung, sondern vor allem an den besseren Belastungseigenschaften der Druckfeder. Denn Druckfedern können besser mit größeren Kräften und für Dauerfestigkeitsanwendungen mit Lastwechseln über 10⁷ umgehen. Neben der großen Auswahl an Material für die unterschiedlichen Anwendungen kann bei der Druckfeder die Einsatzvielfalt mit verschiedensten Oberflächenbehandlungen problemlos erweitert werden. Aufgrund der Leistungsdaten der Druckfeder ist es in manchen Fällen sogar sinnvoller, eine Zugfederanwendung auf eine Druckfeder umzubauen.

Zugfedern

Zugfedern werden am zweithäufigsten eingesetzt. Überall dort, wo die Krafteinwirkung nicht auf Druck, sondern auf Zug erbracht werden muss, kommt man an der Zugfeder nicht vorbei. Insbesondere die spezielle Bauform mit den beidseitigen Ösen birgt einige Risiken, die bei der Zugfederauslegung berücksichtigt werden müssen. Auch, dass die Zugfeder bei einem Federbruch ihre Federkraft komplett verliert, sollte bei der Verwendung einer Zugfeder beachtet werden. Mit der Materialauswahl ist die Einsatzvielfalt der Zugfeder bereits größtenteils ausgeschöpft, da aufgrund der aneinander liegenden Windungen das Aufbringen einer Oberflächenbehandlung nur mit einem erhöhten Aufwand möglich ist.

Schenkelfedern

Schenkelfedern werden bei Drehbewegungen eingesetzt, also überall dort, wo eine Biegebeanspruchung auftritt. Bei den Schenkelfedern gibt es keine besonderen Bauformen, d. h. der Federkörper einer Schenkelfeder ist immer zylindrisch mit einer linearen Federkennlinie. Bei den Schenkelfedern kommt es eher auf die individuelle Schenkelform an, die optimal zur Krafteinleitung der Drehbewegung angeformt wird. Wie bei der Zugfeder ist es auch bei der Schenkelfeder durch die aneinander liegenden Windungen schwierig, weitere Eigenschaften durch eine nachträgliche Oberflächenbehandlung aufzubringen.

Festlegung der Federkennlinie

Grundsätzlich werden Metallfedern nach ihrer Kennlinie beurteilt. Die Federkennlinie ist der Charakter der Metallfedern. Diese stellt das Verhältnis der Federkraft „F“ zum Federweg „s“ dar. Je nach Federntyp, Federnbauform, Windungsabstand und Federsystem kann man lineare, progressive, degressive oder kombinierte Federkennlinien erzeugen. Bei einer linearen Federkennlinie (Bild b: zylindrische Feder) wird die Kraft gleichmäßig abgegeben, bei einer progressiven Kennlinie (Bild a: konische Feder) verstärkt sich die Kraftentfaltung mit Zunahme der Belastung und bei einer degressiven Kennlinie (Bild c: Tellerfeder) verringert sich die Kraftentfaltung mit der Belastung.

Bei der kombinierten Federkennlinie (Bild d: Kennlinie 5) werden unterschiedliche Kräftezustände entlang der Federkennlinie abgebildet. Diese kombinierte Federkennlinie kann mithilfe von Federsystemen erzeugt werden.

Anforderungen an die Metallfeder

Nachdem man sich mit der Federkennlinie bzw. dem Kraftverlauf auf den Charakter der Metallfeder festgelegt hat, müssen zur optimalen Auslegung der Metallfeder folgende Anforderungen abgeklärt und festgelegt werden:

1. Belastungsart und Lebensdauer

• Statische oder quasistatische Belastung mit einer zeitlich konstanten (ruhenden) oder zeitlich veränderlichen Belastung mit weniger als 10.000 Lastwechseln insgesamt bzw. Hubspannung bis 0,1 x Dauerhubfestigkeit.
• Dynamische Belastung mit einer zeitlich veränderlichen Belastung mit mehr als 10.000 Lastwechseln insgesamt und Hubspannungen über 0,1 x Dauerhubfestigkeit. Dabei wird die Metallfeder meist vorgespannt eingebaut und einer periodischer Schwellbelastung mit sinusförmigen Verlauf ausgesetzt, die zufällig erfolgt, wie z. B. bei KFZ-Federungen. Dabei kann es auch zu schlagartigen Kräfteveränderungen kommen. Bei dynamischen Belastungen eignen sich vorwiegend Druckfedern und vereinzelt Zugfedern mit eingeschraubten Federenden.

2. Einsatztemperatur

Die Einsatztemperatur beeinflusst entscheidend die Auswahl des passenden Werkstoffs. Aus diesem Grund gibt es bevorzugte Federstähle für Niedrigtemperatur- und für Hochtemperaturanwendungen. Besonders bei Hochtemperaturanwendungen muss die Relaxation des Federwerkstoffs bei der Kräfteauslegung berücksichtigt werden. Dabei tritt unter permanenter Spannung und höheren Temperaturen ein Kraftverlust auf, der mit steigender Temperatur und Belastungsdauer zunimmt.

3. Umgebungsmedium

In welcher Umgebung wird die Metallfeder eingesetzt? Muss die Feder korrosionsbeständig sein oder gegen aggressive Säuren bestehen? Wird sie in der Lebensmittelbranche eingesetzt oder muss sie medizinisch rein sein? Alle diese Fragen beeinflussen die Auswahl des Federstahldrahts und einer möglichen abschließenden Oberflächenbehandlung.

4. Benötigte Federkräfte und Federwege

Welche Federkräfte soll die Metallfeder bei bestimmten Federwegen erzeugen? Meistens werden die Federn vorgespannt eingebaut, d. h. die Feder erzeugt bereits eine bestimmte Vorspannkraft im Ruhezustand. Diese Kraft wird als „F1“ vorgespannte Federkraft beschrieben. Dazu muss die benötigte Federkraft benannt werden, welche die Feder im gespannten Zustand erreichen soll. Diese Federkraft wird als „F2“ gespannte Federkraft beschrieben. Zu diesen beiden Federkräften müssen noch die jeweiligen Federwege „s1“ und „s2“ oder Federlängen „L1“ und „L2“ bestimmt werden. Besonders bei dynamischen Belastungen kommt es auf den Federhub „sh“ an, der den Federweg zwischen „s1“ und „s2“, bzw. zwischen „L1“ und „L2“ beschreibt. Je kleiner der Federhub ist, umso besser ist die dynamische Belastbarkeit der Metallfeder.

5. Vorhandener Einbauraum

Welche Dimensionen hat der Einbauraum, in der die Feder eingesetzt werden soll? Welchen Durchmesser und welche Länge darf bzw. muss die Metallfeder besitzen, damit sie eingebaut werden kann? Diese Baumaße sind Voraussetzung für die Auslegung der passenden Federn. Dabei müssen auch die Toleranzwerte der jeweiligen Maße im ruhenden und belasteten Zustand berücksichtigt werden.

6. Einbausituation

Dazu muss, je nach Druck-, Zug- oder Schenkelfeder, die Einbausituation überprüft werden. Wird z. B. die Druckfeder durch einen Dorn oder innerhalb einer Hülse geführt, muss die Reibung während der Federarbeit in einer Hystereseschleife berücksichtigt werden. Wird die Druckfeder ohne Führung eingebaut, müssen die unterschiedlichen Knickgrenzen für die verschiedenen Federendlagerungen berücksichtigt werden. Bei Zugfedern ist dagegen wichtig, an welcher Position die Ösen eingehängt werden. So ist die optimale Krafteinwirkung bei Zugfedern zentrisch an beiden Ösen entlang der Federlängsachse. Sehr häufig werden Ösen auch seitlich ausgelegt. Das muss entsprechend bei der Federauslegung berücksichtigt werden. Und bei der Schenkelfeder müssen die Schenkelform und die Windungsrichtung der Einbausituation angepasst werden. Zudem ist es bei Schenkelfedern wichtig, dass diese immer nur in Windungsrichtung belastet werden.

7. Toleranzfeld

Abschließend ist das Toleranzfeld der jeweiligen Federnart zu berücksichtigen. Denn jede Metallfeder wird bei der Produktion innerhalb eines bestimmten Toleranzfeldes gefertigt, sodass die Feder optimal für den Einsatzfall hergestellt wird. Dieses Toleranzfeld wird bei Metallfedern in Gütegrad 1, 2 und 3 ausgewiesen. Normalerweise werden Metallfedern in Gütegrad 2 gefertigt, was vor allem bei kleineren Federabmessungen einem Toleranzfeld von bis zu zehn Prozent entspricht. Bei Gütegrad 1, mit höheren Herstellungskosten, ist das Toleranzfeld am kleinsten und bei Gütegrad 3, mit geringeren Herstellungskosten, am größten.

Videos

Die wichtigsten Federparameter im Überblick

Zusammenfassend noch einmal alle wichtigen Federparameter für eine optimale Federnauswahl und Federnauslegung der Metallfeder:

Federnart

► Druckfeder · Zugfeder · Schenkelfeder · Tellerfeder · Federsystem

Federkennlinie

► linear · progressiv · degressiv · kombiniert

Belastungsart und Lebensdauer

► statisch · dynamisch

Lebensdauer

► Lastwechsel (Federhübe) gesamt

Einsatztemperatur

► Umgebungstemperatur in der die Feder eingesetzt wird

Umgebungsmedium

► Flüssigkeiten, Gase … in der die Feder eingesetzt wird

Federkräfte bei bestimmten Federwegen bzw. Federlängen

► vorgespannte Federkraft = F1 bei s1 oder L1

► gespannte Federkraft = F2 bei s2 oder L2

F1 vorgespannte Federkraft in N

s1 Federweg vorgespannt oder L1 Federlänge vorgespannt

F2 gespannte Federkraft in N

s2 Federweg gespannt oder L2 Federlänge gespannt

Vorhandener Einbauraum

► Länge und Breite des Einbauraums

► Länge Feder zwischen Krafteinleitungspunkten

Einbausituation

bei Druckfedern

► Führung durch Dorn und/oder Hülse

► ohne Führung die Knickgrenze der Federendlagerung beachten

bei Zugfedern

► Krafteinwirkung zentral oder dezentral

► Ösenstellung (Verdrehwinkel der Ösen zueinander) und Ösenposition (zentrisch/seitlich)

bei Schenkelfedern

► Schenkelform zur optimalen Kraftaufnahme

► Windungsrichtung der Belastung

Metallfedern mit einer linearen Federkennlinie, in den Federwerkstoffen Normalstahl EN 10270-1 und rostfrei EN 10270-3-1.4310, findet man in 12.600 Federbaugrössen im Gutekunst Federnkatalog. Bei allen nicht linearen Federanwendungen senden Sie bitte die benötigten Federparameter einfach an verkauf@gutekunst-co.com oder nutzen Sie das Gutekunst Anfrageformular.

Weiterführende Links:

• Gutekunst Federnkatalog

• Gutekunst Federnberechnung WinFSB

• Gutekunst Federnanfrage

Druckfedern, teilweise auch Zugfedern und Schenkelfedern erhalten durch eine nachträgliche Behandlung ihrer Oberflächen zusätzliche Eigenschaften – sie werden je nach Anwendungsfall beispielsweise härter, rost- oder wärmebeständiger. Gutekunst Federn bietet für seine Stahlfedern neben klassischen Verfahren wie Glanzverzinken, Brünieren, Elektropolieren, Beizen, Phosphatieren, Passivieren, Verchromen, Vernickeln, Verzinken und Kugelstrahlen auch eine Vielzahl von speziellen Oberflächenbehandlungen. Dazu zählen Dickschicht-Passivierungen, Pulverbeschichtungen, Delta®-Tone und Delta®-Seal Korrosionsschutzsysteme, Glasperlenstrahlen, PTFE-Teflonbeschichtungen, Vergolden, Verkupfern oder auch das Chromatieren von verzinkten Stahlfedern.

Alle Oberflächenbehandlungen für Sie im Überblick:

Klassische Oberflächenbehandlungen für Stahlfedern

Brünieren

Hauptmerkmale: Das Brünieren ist eine optische Oberflächenbehandlung. Durch das Verfahren weisen die Stahlfedern eine gleichmäßige Farbe auf, sind aber nur gering korrosionsbeständig.

Das Brünieren zählt zu den klassischen Oberflächenbehandlungen und ist ein nicht schichtbildendes Verfahren, bei dem Sauerstoff in die äußerste Schicht eingelagert wird. Durch die Behandlung bildet sich auf einem niedrig legierten Eisenwerkstoff wie der Stahlfeder ein schwarzer, dünner und nichtmetallischer Überzug aus Eisenoxid. Dieser meist weniger als ein Mikrometer dicke Belag wertet das Material nicht nur optisch auf, sondern schützt es auch. Der Vorgang erfolgt bei niedrigen Temperaturen unter 150 Grad Celsius. Dadurch entsteht keine thermische Belastung. Struktur und Rautiefe der Feder werden dabei nur unwesentlich verändert. Die Maßhaltigkeit der beschichteten Werkstücke bleibt gleich.

Elektropolieren

Hauptmerkmale: Das Elektropolieren behandelt die Oberflächen von Edelstahl. Es dient vor allem dazu, das Material optisch zu veredeln – beispielsweise bei medizinischen Geräten.

Das Elektropolieren besteht aus einem einzigen Arbeitsgang, bei dem mittels einer anodischen Auflösung eine sehr dünne Schicht der Oberfläche abgetragen wird. Verunreinigungen, Partikel, Mikrorisse sowie Gefügestörungen und lokale Spannungen werden ebenfalls bereinigt. Die behandelten Oberflächen zeichnen sich durch verschiedene Eigenschaften aus: Sie sind metallisch rein und glänzend, grat- und partikelfrei, im Mikrobereich geschlossen und verfügen über optimale Eigenschaften des Grundwerkstoffes. Ein weiterer Vorteil: Das Verfahren ist besonders schonend, und die Stahlfeder wird weder thermisch noch mechanisch belastet.

Vorteile gegenüber anderen Verfahren sind auch die gute Korrosionsbeständigkeit, minimierte Mikrorauheit, verbesserte Dauerfestigkeit sowie ein reduzierter Reibungskoeffizient. Behandelte Oberflächen überzeugen zudem durch eine geringe Produktanhaftung sowie eine verringerte Belagbildung. Sie lassen sich somit sehr leicht und schnell reinigen. Das Anwendungsgebiet reicht von der Chemie- und Pharmaindustrie über Umwelttechnik und Elektronikindustrie bis hin zur Architektur und Baubranche.

Beizen

Hauptmerkmale: Das Beizverfahren entfernt auf chemischen Weg alle Verunreinigungen einer Oberfläche.

Beizen ist ein Verfahren, das alle Verunreinigungen von Edelstahloberflächen auf chemischen Weg – sprich durch Säure – beseitigt. Das Ergebnis ist eine metallisch reine Oberfläche der Metallfeder. Nur darauf kann sich in einem nächsten Schritt die schützende Passivschicht bilden.

Glanzverzinken    

Hauptmerkmale: Dieses Verfahren zählt zu den optischen Oberflächenbehandlungen und bietet einen hohen Korrosionsschutz.

Das Glanzverzinken ist ein galvanisch erzeugtes Schutz-System für Stahloberflächen. Bei dem Vorgang entsteht eine sehr dünne Zinkmetallschicht. Um das Metall hinreichend vor Korrosion zu schützen, wird die Schicht zudem passiviert oder chromatisiert. Damit wird das Material deutlich beständiger. Korrosionsspuren, auch als Weißrost bekannt, lassen sich mit dem Glanzverzinken verhindern. Das bearbeitete Material ist zudem haftfester, thermisch beständiger, überzeugt durch eine hohe Funktionalität und sieht ansprechender aus.

Phosphatieren

Hauptmerkmale: Das Besondere beim Phosphatieren sind der temporäre Korrosionsschutz und die günstigen Gleiteigenschaften.

Das Phosphatieren, auch Bondern, Atramentieren oder Parkerisieren genannt, zählt zu den häufigsten Verfahrenstechniken bei der Oberflächenbehandlung von Stahlfedern. Hierbei wird mittels chemischer Reaktionen der metallischen Oberfläche mit einer Phosphat-Lösung eine Konversionsschicht aus fest haftenden Metallphosphaten gebildet. Diese Oberflächen sind für Anwendungen interessant, bei denen Wert auf einen temporären Korrosionsschutz, eine gute Haftvermittlung für nachfolgende Lackierungen, eine Reib- und Schleißverminderung oder auch auf die elektrische Isolation gelegt wird. Das Phosphatieren ist zudem sehr wirtschaftlich und kostengünstig.

Passivieren

Hauptmerkmale: Passivierte Oberflächen verfügen durch ihre Oxidschicht über eine hohe Beständigkeit, können sich selbst regenerieren und bieten einen guten Korrosionsschutz.

Beim Passivieren entsteht auf der Stahlfeder eine Schutzschicht, die sogenannte Passivschicht. Diese Schutzschicht kann durch Passivierungschemikalien oder aber auch natürlich durch Feuchtigkeit und Sauerstoff entstehen. Dieser Überzug verhindert Korrosion – oder kann sie zumindest beträchtlich verlangsamen. Für dieses Verfahren müssen die Oberflächen metallisch rein sein. Das natürliche Passivieren dauert mehrere Tage. Kommen Passivierungschemikalien zum Einsatz, reduziert sich die Zeit auf wenige Minuten.

Verchromen

Hauptmerkmale: Das Verchromen ist eine optische Oberflächenbehandlung und bietet einen guten Korrosionsschutz.

Verchromte Oberflächen sind mehrschichtig aufgebaut. Sie schützen die Metallfedern vor Korrosion und weisen eine geringe Haftreibung auf. Sie können mechanisch nachbearbeitet werden, sind auch bei hohen Temperaturen beständig und laufen nicht an. Verchromte Oberflächen finden branchenübergreifend in vielen Bereichen der technischen Industrie Anwendung.

Vernickeln

Hauptmerkmale: Vernickelte Oberflächen sind zum einen korrosionsbeständig und weisen zum anderen günstige Gleiteigenschaften auf. Vernickeln zählt zu den optischen Oberflächenbehandlungen.

Nickel eignet sich für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen und gehört zu galvanischen Metallüberzügen. Um Stahlfedern zu vernickeln, werden diese nach einer speziellen Vorbehandlung in einen Nickelelektrolyten – eine nickelsalzhaltige, wässrige Lösung – eingetaucht. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung bildet sich auf der Oberfläche der Feder eine feine Schicht. Der Überzug ist sowohl gegen Luft und Wasser als auch verdünnte Säuren und einige Laugen resistent. Ungeeignet ist Nickel dagegen im Kontakt mit Salpetersäure, konzentrierten Salzsäuren und Ammoniak. Das Übergangsmetall weist eine silberhelle Farbe mit einem leicht gelblichen Farbton auf. Durch seine charakteristische Färbung unterscheidet es sich sehr gut von verchromten Oberflächen. Nickel ist allerdings unbeständig gegen Anlaufen und kann mit der Zeit eine dunkle Färbung annehmen.

Verzinken

Hauptmerkmale: Verzinkte Oberflächen bieten einen besonders guten Korrosionsschutz.

Beim Verzinken werden Stahlfedern mit einem metallischen Überzug aus Zink versehen. Häufige Verfahren sind das kontinuierliche und das diskontinuierliche Feuerverzinken, thermisches Spritzen mit Zink sowie das galvanische Verzinken. Die Verfahren unterscheiden sich zum einen durch die Herstellung der Schutzschicht sowie durch ihre Schichtdicke. Von dieser hängen auch die Schutzdauer und die mechanische Belastbarkeit des Werkstückes ab.

Neben seiner abschirmenden Wirkung ist Zink korrosionsbeständig. Verzinkte Werkstücke werden häufig als Opferanode gegen Kontaktkorrosionen verwendet. Damit eignen sie sich für Anwendungen, bei denen edlere Metalle mit unterschiedlichem Lösungspotenzial leitend verbunden sind. Der verzinkte Werkstoff verhindert hier bis zu einem Abstand von fünf Millimetern die Korrosion der Metalle. Freiliegende Schnittkanten und Fehlstellen im Zinküberzug lassen sich so optimal schützen.

Kugelstrahlen

Hauptmerkmale: Das Kugelstrahlen erhöht die dynamische Lebensdauer von Stahlfedern deutlich.

Das Kugelstrahlen ist eine besondere Art der Oberflächenbearbeitung. Pressluft oder Schleuderräder schießen bei diesem Verfahren das Strahlmittel mit hoher Geschwindigkeit auf die Federn. Das Strahlmittel besteht aus runden oder gerundeten Körnern, die dem Vorgang seinen Namen geben.

Ziel des Kugelstrahlens ist es, das Oberflächenvolumen des Werkstoffs zu vergrößern und eine Druckeigenspannung zu erzeugen. Die Folge ist eine Verdichtung des Werkstoffs und damit die Verfestigung der Oberfläche. Bei diesem Verfahren wird die Dauerfestigkeit der Metallfeder deutlich verbessert.

Spezielle Oberflächenbehandlungen für Stahlfedern

Dickschicht-Passivieren

Hauptmerkmale: Durch das Dickschicht-Passivieren entsteht eine klare irisierende Oberfläche, die einen guten Korrosionsschutz bietet.

Das Verfahren wird auch als Transparentpassivierung bezeichnet. Hierbei wird eine nichtmetallische Schutzschicht auf einem metallischen Stoff wie einer Stahlfeder erzeugt. Der Überzug ist absolut Chrom-VI frei und kommt vor allem dort zum Einsatz, wo herkömmliche Chromatierungen nicht verwendet werden dürfen. Diese Art der Oberflächenbehandlung ist sehr gut für höhere Beschichtungen geeignet.

Pulverbeschichten

Hauptmerkmale: Das Pulverbeschichten zählt ebenfalls zu den optischen Oberflächenbehandlungen. Pulverbeschichtete Materialien besitzen eine hervorragende Glanzhaltbarkeit und Farbechtheit der 180 verschiedenen RAL-Farben.

Um Stahlfedern so zu bearbeiten, wird das entsprechende Farbpulver elektrostatisch aufgeladen und mithilfe einer sogenannten Pulverpistole auf das Material aufgebracht. Die Pulverlacke basieren auf diversen Bindemitteln wie Acrylat-, Epoxid- und Polyesterharz. Sie werden in allen RAL-Farben und in jedem gewünschten Zwischenton angeboten. Einzige Voraussetzung: Die Feder muss elektrisch leitfähig sein. Dies trifft zu, wenn sie beispielsweise aus Stahl oder Aluminium gefertigt ist. Anschließend wird das Pulver bei Temperaturen zwischen 140 und 200 Grad Celsius in einem Ofen in den Werkstoff gebrannt. Das erzeugt eine gleichmäßig dichte Beschichtung. Diese überzeugt durch eine hohe Licht- und Wetterbeständigkeit und ist zudem stoß- und kratzfest.

Delta®-Tone und Delta®-Seal-Beschichtung

Hauptmerkmale: Das Delta® Mikroschicht-Korrosionsschutz-System besteht aus einem zweischichtigen Aufbau. Delta-Tone ist die Grundbeschichtung (Basecoat), Delta-Seal die anschließende Deckbeschichtung (Topcoat). Beide zusammen bilden einen sehr hohen Korrosionsschutz für Metallfedern.

Durch den Aufbau aus Grund- und Deckbeschichtung können maßgeschneiderte Lösungen in Bezug auf die Funktionseigenschaften, das Reibverhalten und die Korrosionsbeständigkeit von Oberflächen erreicht werden.

Delta®-Tone (Basecoat)

Beim Delta®-Tone-Verfahren wird eine anorganische und mikroschichtbildende Grundschicht auf die Stahlfedern aufgebracht, die Zink- und Aluminiumlamellen enthält. Durch den anschließenden Einbrennprozess entsteht ein silbermetallisch glänzender Überzug mit gleichmäßiger Dicke. Dieser weist hervorragende Korrosionsschutzeigenschaften auf und stellt gleichzeitig eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit sicher. Dies ermöglicht einen kathodischen Schutz und bannt die Gefahr einer Wasserstoffversprödung.

Je nach Anforderung der passende Basecoat:

• Delta®-Tone 9000 eignet sich speziell für Federn, Federbandschellen und Stanz-Biegeteile.
• Delta-Protekt® KL 100 wurde gezielt für Gewindeteile entwickelt und wird häufig in der Automotivebranche eingesetzt. Die Grundschicht hält Dauertemperaturbelastungen von 96 Stunden bei 180 Grad Celsius stand.
• Delta-Protekt® KL 105 macht mit integriertem Schmiermittel den Einsatz eines Topcoats überflüssig. Die Beschichtung ist auf die spezifische Reibungszahl eingestellt und ermöglicht somit als 2-in1-System Kosteneinsparungen.
• Delta-Protekt® KL 130 ist dunkelgrau und als Untergrund für schwarze Decktöne prädestiniert, weil Schlagstellen nicht mehr sichtbar sind.
• Delta-Protekt® KL 120 eignet sich besonders bei Verbindungselementen mit Gewinden und für Federn oder Federbandschellen. Die Rot- und Weißkorrosionsbeständigkeit geht weit über die Anforderungen anderer Oberflächenveredelungen hinaus.

Delta®-Seal (Topcoat)

Delta®-Seal ist eine Deckbeschichtung aus organisch hoch vernetztem, mikroschichtbildendem Material. Sie ergänzt optimal die zuvor angebrachte Grundschicht. Das Beschichtungs- und Einbrennverfahren hinterlässt einen haftfesten, chemikalienresistenten Belag. Eine hervorragende Beständigkeit gegen äußere Einflüsse wird durch den Einsatz bestimmter Harze wie Acrylat-, Epoxid- und Polyurethanharz mit einer angepassten Aushärtung erreicht.

Die Delta®-Seal Varianten, die schwarzen Delta-Protekt® VL 450 oder Delta-Protekt® VT 600 sowie das silberne Delta-Protekt® VL 411 GZ.

Glasperlenstrahlen

Hauptmerkmale: Das Glasperlenstrahlen ist eine spezielle Form des Kugelstrahlens.

Beim Glasperlenstrahlen schleudern Druckluft-, Schleuderrad- oder Injektorstrahlanlagen sehr kleine Glasperlen mit einer hohen Geschwindigkeit gegen die Oberfläche der Stahlfeder. Durch den Prozess entstehen sehr homogene Oberflächen mit hervorragenden optischen Eigenschaften. Glasperlenstrahlen wird daher zur eisenfreien Reinigung und für dekorative Oberflächen eingesetzt.

Teflonbeschichten (PTFE)

Hauptmerkmale: Teflonbeschichtete Stahlfedern weisen sehr gute Gleiteigenschaften auf.

Beschichtungen aus Teflon, auch PTFE (Polytetrafluorethylen) genannt, verfügen über verschiedene Eigenschaften: Dazu gehören neben einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit und optimalen Antihaftfähigkeiten auch niedrige Reibungskoeffizienten sowie die Resistenz gegen hohe Temperaturen. Zum Einsatz kommen sie unter anderem in der Lebensmittelbranche, bei Reinraumanwendungen, in der Textil- und Papierindustrie sowie im Anlagen- und Maschinenbau.

Vergolden

Hauptmerkmale: Das Vergolden zählt ebenfalls zu den optischen Oberflächenbehandlungen. Vergoldete Materialien sind nicht nur besonders leitfähig, sie verhindert auch einen zu großen Schaltfunken. Mechanisch und chemisch sind sie jedoch wenig widerstandsfähig.

Beim chemischen Vergolden wird die Stahlfeder mit einer dünnen Schicht aus reinem Gold überzogen. Damit bleibt die Lötbarkeit des Werkstoffes erhalten und wird noch verbessert. Zum Einsatz kommen vergoldete Metallfedern deswegen vorzugsweise in der Elektroindustrie. Zu den Anwendungsgebieten zählen aber auch dekorative Bereiche.

Verkupfern

Hauptmerkmale: Verkupferte Metallfedern sind zum einen korrosionsbeständig und zeichnen sich zum anderen durch eine gute Leitfähigkeit aus.

Beim Verkupfern überzieht eine dünne Schicht aus Kupfer die metallischen Federn. Dieser Überzug ist eine beliebte Grundlage für viele Korrosionsschutzsysteme – unter anderem für Nickel- oder Chrombeläge. Denn der Belag sorgt für einen dauerhaften Schutz. Die Schicht beträgt in der Regel ein bis zwei Millimeter. Verkupferte Federn bieten auch eine verbesserte thermische und elektrische Leitfähigkeit. Ein weiterer Vorteil: Sie können problemlos lackiert werden.

Verzinkt Chromatieren

Hauptmerkmale: Das Chromatieren verzinkter Bauteile bildet eine funktionelle und optische Oberflächenbehandlung. Sie bietet einen hohen Korrosionsschutz und ist in den Farben Blau, Gelb, Schwarz und Oliv erhältlich.

Vor dem Chromatieren müssen die Stahlfedern galvanisch verzinkt werden. Erst im nächsten Schritt tauchen sie in eine Lösung aus Chromsäure und verschiedenen Zusatzstoffen. Hierbei bildet sich eine sehr dünne chemische Umwandlungsschicht, auch Konversionsschicht genannt – ohne das Anlegen einer elektrischen Spannung. Die verschiedenen Chromatierungsarten lassen sich nach Farben unterschieden. Möglich sind Blau, Gelb, Schwarz und Oliv. Die Farbe Blau ist RoHS-konform und damit Cr(VI)-frei. RoHS steht für Restriction of Hazardous Substances, also die Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe. Alle anderen Farben entsprechen nicht dieser Richtlinie und eignen sich damit beispielsweise auch nicht in Branchen wie der Automobilindustrie.

Eine gute Alternative zu Chrom (VI)-Oberflächen sind Dickschicht-Passivierungen. Bei diesem Verfahren entsteht eine klare irisierende Oberfläche mit einem guten Korrosionsschutz.

Folgende Farben und Eigenschaften werden verzinkt-chromatiert angeboten:

• Blau: Der Farbton geht leicht ins Bläuliche. Es besteht meist ein fließender Übergang zum Transparenten hin. Der Korrosionsschutz chromatierter blauer Oberflächen ist relativ schwach, die Schicht allerdings aber Cr (VI)-frei und damit konform nach der Richtlinie RoHS 2002/95/EG.
• Gelb: Die Färbung ähnelt Messing oder einem unreinen Goldton. Diese Art der Chromatierung sorgt für einen optimalen Korrosionsschutz und kommt häufig zum Einsatz. Die Schicht ist Chrom (VI)-haltig und nicht RoHS-konform.
• Schwarz: Bei dieser Kolorierung bleibt der Metallcharakter der Oberfläche stellenweise erhalten. Denn der Farbton ist nicht so kräftig wie bei einer Lackierung. Der Korrosionsschutz der Schicht ist mittel bis gut. Die Beschichtung ist Chrom (VI)-haltig und nicht RoHS-konform.
• Oliv: Die Farbe Oliv ist sehr kräftig, wodurch der Metallcharakter der Oberschicht größtenteils verloren geht. Auch diese Schicht ist Chrom (VI)-haltig und damit nicht RoHS-konform.

Sie möchten nähere Informationen zu Oberflächenbehandlungen für Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern? Die Technikabteilung von Gutekunst Federn erreichen Sie telefonisch unter (+49) 035877 227-11 oder per E-Mail an service@gutekunst-co.com.

Weitere Informationen:

• Auslegung von Metallfedern – praktische Servicetools

• Federwerkstoffe mit hoher Dauerfestigkeit

• Die passende Metallfeder

• Metallfedern für den Extremfall

Mit einer Geschwindigkeit von annähernd 28.000 km/h umkreisen Gutekunst Druckfedern den Erdorbit auf der internationalen Raumstation ISS. Damit sind sie wahrscheinlich die schnellsten im Einsatz befindlichen Druckfedern.

Gutekunst Federn liefert diese Druckfedern mit speziellen thermischen und kraftspezifischen Eigenschaften an die Firma Witzenmann aus Pforzheim, in deren Akkumulatoren sie auf der ISS zum Einsatz kommen. Diese Akkumulatoren sorgen für den optimalen Systemdruck im Kühlwasserkreislauf trotz der auftretenden Temperaturschwankungen. Auch in Trägerraketen kommen die Akkumulatoren zum Einsatz. Dort sorgt der Volumenspeicher für eine Glättung der Druckspitzenwerte des flüssigen Brennstoffes beziehungsweise Oxidators und verhindert so den gefürchteten POGO-Effekt. POGO-Schwingungen entstehen durch den Abriss des Massenstroms in den Versorgungsleitungen der Rakete und können unter Umständen sogar den Totalverlust der Rakete verursachen.

Ähnliche Akkumulatoren werden in Flugzeugen als hydraulische Energiespeicher zur schnellen Betätigung von Ruder und Klappen eingesetzt. Aufgrund der Einsatzorte dieser Akkumulatoren steht bei der Auslegung und Herstellung der Druckfedern vor allem die gleichbleibende lineare Federkonstante bei großen Temperaturschwankungen im Fokus.

Die Anforderungen der Projektverantwortlichen von Witzenmann an die Federn waren folglich sehr hoch: konstante Werkstoffeigenschaften bei +121 bis -156 Grad, minimale Abweichungen für vorgespannte und gespannte Federkräfte, geringe Relaxation trotz Temperaturschwankungen, kein Setzen der Feder; und das alles über zehn Jahre garantierte Einsatzdauer.

Die Werkstoffauswahl fiel bei Gutekunst Federn schnell auf den Federstahldraht 1.4568 nach DIN EN 10270-3. Dieser Werkstoff verfügt nicht nur über ein großes Temperatur-Einsatzfenster von +200 bis -200 Grad, sondern hat bei steigender Temperatur und Spannung auch eine sehr geringe Relaxation von unter vier Prozent, das heißt die Federkonstante bleibt nahezu linear.

Darauf folgte die optimale Auslegung der Druckfeder anhand der Kräfteeigenschaften. Dabei hatten die vorgespannte Kraft F1 und die gespannte Kraft F2, mit den dazugehörigen Federlängen L1 und L2, oberste Priorität, sodass die Baumaßlichkeiten der Druckfeder an den geforderten Kräften ausgelegt wurde.

Gefertigt in Gütegrad 1 mit 100 % Prüfung wurde die Druckfeder zuerst länger gewunden und anschließend auf das geforderte Längenmaß gesetzt, sodass die Feder im Einsatz kein Setzverhalten zeigt.

Dass die Druckfedern nun bereits seit über zehn Jahren im Einsatz sind, zeugt von der optimalen Auslegung für diesen Einsatzfall durch Gutekunst Federn.

Zu den Unternehmen:
Witzenmann aus Pforzheim ist auf die Herstellung von flexiblen Leitungselementen wie Kompensatoren, Metallbälge, Fahrzeugteile und Rohrhalterungen spezialisiert. Als global agierendes Unternehmen mit dem Leitspruch „managing flexibility“ verfügt Witzenmann über ein sehr breit aufgestelltes Produktprogramm rund um die Rohrleitung und ist der Weltmarktführer der Branche. 2014 erzielten die rund 3.700 Mitarbeiter der Witzenmann-Gruppe in 24 Unternehmen und 19 Ländern weltweit einen Umsatz von über 520 Millionen Euro. Sowohl standardisierte Baureihen als auch individuelle Produktlösungen werden angefertigt. www.witzenmann.de

Gutekunst Federn ist auf die Entwicklung und Fertigung von Metallfedern sowie Drahtbiegeteilen aus jedem gewünschten Federstahldraht spezialisiert. Neben dem umfangreichen Lagerprogramm mit 12.603 Federbaugrößen, fertigt Gutekunst Federn jede gewünschte individuelle Metallfeder bis 12 mm Drahtstärke in Kleinmengen und Großserien. Mit 320 Mitarbeitern beliefert das 1964 gegründete Familienunternehmen weltweit rund 100.000 Kunden aus den unterschiedlichsten Branchen. So zählt Gutekunst Federn heute mit fünf Niederlassungen in Deutschland und Frankreich zu den größeren Federnherstellern in Europa. www.federnshop.com

Wie wird eine Zugfeder hergestellt, welchen Einfluss haben Zugfeder-Bauformen, Ösenformen, Federkennlinie und Federwerkstoffe, und was bedeuten Fachbegriffe, wie Vorspannung, Relaxation, Dehngrenze und dynamische Belastung bei einer Zugfeder? Um für die nächste Zugfeder-Auslegung (Video) das Basiswissen etwas aufzufrischen geht Gutekunst Federn kurz auf diese Themen rund um die Zugfeder ein. Denn überall dort, wo die Krafteinwirkung nicht auf Druck, sondern auf Zug erbracht werden muss, kommt man an der Zugfeder nicht vorbei. Zugfedern werden beispielsweise im Fahrzeugbau als Rückstellfedern eingesetzt, ebenso in Garagentoren, Schlössern, Bettkästen sowie in Relais im Anlagen- und Gerätebau. Mitunter werden auch Zugfedersysteme mit mehreren Zugfedern eingesetzt. Häufigste Anwendungsbeispiele sind Garagentorfederpakete oder Klappmechanismen für Bettkästen in Parallelschaltung, wo Bauteile mit größerer Masse mit konstanten Kräften und Federmomenten in Position gehalten werden.

Die Herstellung

Hergestellt werden Zugfedern aus runden oder ovalen Federstahldrähten. Der Federstahldraht wird dabei zumeist im Kaltumformungsprozess in jede gewünschte Form gebracht, entweder durch Winden mit einem Einfingersystem um einen Dorn oder – bei vollautomatischen Federwindeautomaten – mithilfe von mehreren Drahtführungsstiften (Zweifinger- oder Dreifingersystem). Dabei werden die Ösen entweder direkt beim Winden ausgeformt oder in einem nachgelagerten Arbeitsgang aufgestellt. Zugfedern werden in der Regel zylindrisch mit je einer 1/1 deutschen Öse an den Seiten nach der Norm EN 13906-2 hergestellt. Wie die Herstellung einer Metallfeder abläuft, hat der Federnspezialist Gutekunst in einem kurzen Video auf YouTube zusammengestellt. Geben Sie bei Google einfach „Federnproduktion Video“ ein.

Federbauformen und Ösenformen

Neben der zylindrischen Zugfederbauform mit einer linearen Federkennlinie werden häufig auch kegel- oder tonnenförmige Zugfedern hergestellt. Dabei wird mit den konisch verjüngten Federenden, neben einer progressiven Federkennlinie, auch eine höhere Lebensdauer erreicht. Ein degressiver Kraftverlauf kann nicht über die Zugfederbauform erzeugt werden; dazu ist ein Zugfeder-Hebelmechanismus nötig, wie bei einem Bettkasten. Je nach Anwendung kommen verschiedene Ösenformen zum Einsatz. Neben den klassischen Ösenformen wie der 1/1 deutschen Öse oder der Hakenöse werden auch widerstandsfähigere Federenden wie der eingerollte Gewindebolzen oder der einschraubte Gewindestopfen angeboten, wodurch eine höhere Lebensdauer erzielt wird. Im Allgemeinen sind Zugfedern aufgrund der Ösen nicht für den Dauerfest-Einsatz geeignet, da die Ösenanbindung am Übergangsbogen eine große Schwachstelle darstellt.

Bei Zugfederösen treten drei Kräfte auf – die Zugbelastung, die Torsionsbelastung und die Biegebelastung. Darum sollte bei Zugfedern auch darauf geachtet werden, dass die Krafteinwirkung zentrisch auf die Öse einwirkt, weil sonst das Risiko eines Ösenbruchs steigt. Zudem muss der Übergangsradius (r) vom Federkörper zur Federöse grundsätzlich größer als die Drahtstärke (d) sein.

Vorspannung

Bei der Zugfeder entsteht während der Herstellung durch einen Drall gegen die nächste Windung eine Vorspannung. Diese Vorspannung ist größtenteils gewünscht, weil dadurch die erforderliche Betriebslänge der Zugfeder minimiert wird. Dabei gilt jedoch bei der Zugfederherstellung: je höher die Vorspannung, desto höher der Produktionsaufwand. Die Vorspannung ist auch vom Wickelverhältnis „w = D/d“ („D“ Mittlerer Windungsdurchmesser, „d“ Drahtstärke) abhängig, sie nimmt mit steigendem Wickelverhältnis ab. Falls bei einer Zugfeder keine Vorspannung gewünscht ist, wie beispielsweise bei einer Messfeder, kann diese durch eine höhere Anlasstemperatur und längere Anlasszeit nachträglich fast komplett entfernt werden. Auch warmgeformte Zugfedern enthalten keine Vorspannung. Um die geforderten Federeigenschaften, wie Baumaßlichkeit oder Kräfteeigenschaften, nach der Herstellung gewährleisten zu können, wird als Fertigungsausgleich normalerweise die Vorspannung (F0) oder der mittlere Windungsdurchmesser (D) toleriert.

Relaxation, Schubspannung und Federkräfte

Wird die Zugfeder über einen längeren Zeitraum bei höheren Temperaturen belastet, geht – wie bei allen Metallfedern – ein bestimmter Prozentsatz der Federkraft verloren. Diesen Kraftverlust nennt man Relaxation, und er nimmt mit steigender Temperatur und Spannung zu. Da die Relaxation, je nach Werkstoff und Temperatur, einen Kraftverlust von bis zu 20 Prozent bedeuten kann, sollte der größte Federweg maximal 80 Prozent der zulässigen Spannung betragen. Übersteigt bei Belastung der Zugfeder die Schubspannung den zulässigen Wert der Dehngrenze, tritt eine dauerhafte Verringerung der Vorspannung oder eine Verformung der Zugfeder ein. Des Weiteren sollte auf die Resonanzschwingung der Zugfeder geachtet werden; idealerweise sind die Schwingungen der Erregerfrequenz zehnmal kleiner als die Eigenfrequenz der Feder, ansonsten können erhebliche Spannungserhöhungen auftreten, die zum Federbruch führen.

Die Federkraft/Federsteifigkeit hängt vom Federstahldraht und der Federrate bzw. Federkonstante ab. Die Federrate definiert auch das Verhältnis von Federkraft zu Federweg. Grundsätzlich lässt sich die Dimensionierung der Federkraft durch folgende Maßnahmen beeinflussen:

• Drahtdurchmesser (d) größer > Feder härter
• Windungsdurchmesser (De) größer > Feder weicher
• Anzahl der federnden Windungen (n) größer > Feder weicher

Dynamische Belastung

Dynamische Belastungen sind zeitlich veränderliche Belastungen mit mehr als 10.000 Hüben. Anders als bei Druckfedern gibt es für Zugfedern keine Dauerfestigkeitsschaubilder, mit denen aufgrund des Werkstoffs, des Drahtdurchmessers und der Hubspannung ein mögliches dynamisches Beanspruchungsfeld vorgegeben wird. Grund hierfür ist die Vielfalt an Ösenformen, die größtenteils aufgrund des Übergangsbogens vom Federkörper zur Öse keine Dauerfestigkeit besitzen. Ösenformen wie der eingeschraubte Gewindestopfen oder der eingerollte Gewindebolzen besitzen bessere dynamische Eigenschaften, trotzdem müssen bei jeder dynamisch eingesetzten Zugfeder reale Lebensdauertests für den jeweiligen Arbeitseinsatz durchgeführt werden.

Federwerkstoff und Oberfläche

Die Auswahl des Federstahldrahts beeinflusst nicht nur die Federkraft, sondern bietet auch die passenden Eigenschaften für die jeweilige Federanwendung. So werden neben den normalen unlegierten Federstahldrähten auch rostfreie Federstähle, SiCr-legierte Ventilfederdrähte, Kupferlegierungen für gute elektrische Eigenschaften, Nickellegierungen für hohe Wärme- und Korrosionsbeständigkeit sowie Titanlegierungen für höchste Ansprüche aus der Luftfahrttechnik verwendet. Daneben können auch verschiedene Oberflächenbehandlungen aufgebracht werden, um die Feder zu optimieren. Bei den Zugfedern ist eine Oberflächenbehandlung jedoch schwierig, da die Windungen so eng aneinander liegen.

Nach- und Vorteile

Die Nachteile der Zugfeder liegen in der Größe des Einbauraums, der sensiblen Stelle am Ösenanschluss und dem daraus resultierenden Totalverlust der Federkraft nach einem Ösenbruch. Die wichtigsten Vorteile der Zugfeder sind die Knickfreiheit, die Möglichkeit der zentrischen Kraftübertragung und die Reibungsfreiheit durch den Wegfall von Führungselementen wie Hülse oder Dorn.

Weitere Informationen zum Thema Zugfedern erhalten Sie unter nachfolgenden Links oder unter Telefon (+49) 035877 227-11. Viel Erfolg!

Weitere Informationen:

• Auslegung Zugfedern (Video)

• Eigenschaften Zugfedern

• Ösenformen Zugfedern

• Beanspruchungsarten Zugfedern

• Zugfedernkatalog

• Zugfedernberechnung

Die Federkraft – auch Spannkraft genannt – entsteht, wenn ein elastischer Körper auseinandergezogen oder zusammengedrückt wird – zum Beispiel eine Metallfeder aus Federstahldraht. In ihr wirkt eine entgegengesetzte Kraft, welche die Feder wieder in die Ausgangsposition zurückversetzt.

Das Hookesche Gesetz

Die elastische Kraft des Körpers verändert sich mit dem Ausdehnen oder dem Zusammendrücken. Bei Standard-Bauformen besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Ausdehnung und Kraft. Dieses linear-elastische Verhalten von Festkörpern wird auch als Hookesches Gesetz bezeichnet. Benannt wurde es nach dem englischen Gelehrten Robert Hooke. Allgemein stellt das Hookesche Gesetz den linearen Sonderfall im Elastizitätsgesetz dar.

Dabei lässt sich festhalten: Je länger die Strecke „s“ ist, um die eine Feder gedehnt oder zusammengedrückt wird, desto stärker ist die entgegenwirkende Federkraft „F“ der Feder.

Formel zur Berechnung der Federkraft:

Die Federkraft kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Dabei gilt:

F = Federkraft [N]
R = Federrate / Federkonstante [N/mm]
s  = Federweg [mm]

Wieso ist die Federkonstante negativ? Das Minuszeichen in der Gleichung bedeutet, dass – bezogen auf die Ruhelage – die Auslenkungsrichtung einer Feder der Federkraft entgegengesetzt ist.

Die Formel für Federkraft wird nicht nur bei Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern eingesetzt, sondern auch für andere elastische Körper. Ein wichtiges Thema ist die Federkraft daher unter anderem in der Mechanik und Werkstofftechnik.

Die Federkonstante

Die Federkonstante oder Federrate „R“ ist abhängig vom Werkstoff und der Bauform der Feder. Mit zunehmender Dicke oder einer engeren Wicklung des verwendeten Drahtes nimmt die Federkonstante einer Schraubenfeder zu. Sie wird in der Einheit Newton pro Millimeter (N/mm) angegeben und ist der Quotient aus der Federkraft „F“ und dem Federweg „s“. Durch eine einfache Umstellung der Berechnungsformel der Federkraft lässt sich auch die Federkonstante berechnen:

Hierbei gilt ebenfalls:

F = Federkraft [N]
R = Federrate / Federkonstante [N/mm]
s  = Federweg [mm]

Sämtliche Formeln zur Überprüfung und zum Funktionsnachweis der Federkraft, der Federkonstante und des Federwegs bei Schenkelfedern für Federmoment, Federmomentrate erhalten Sie hier für Druckfedern, Zugfedern und Schenkelfedern.

Weitere Informationen:

• Federnberechnung WinFSB

• Auslegung von Metallfedern – praktische Servicetools

• Mischschaltungen Federn

Sicherungselemente sind kleine, fast unscheinbare Maschinenkomponenten, die nahezu in jeder Konstruktion zum Einsatz kommen. Die formschlüssigen Bauteile schützen und begrenzen als  Führungselemente andere Maschinenteile gegen axiales Spiel. Die Sicherungselemente sind in vielen Ausführungen erhältlich. Damit eigenen sie sich für unterschiedliche Anwendungen.

Nachfolgend eine Auswahl an Sicherungselementen von Gutekunst Federn:

Sprengringe

Sprengringe sind Sonderformen des Sicherungsrings. Im Maschinenbau hindern sie formschlüssig Bauteile wie Räder, Dichtelemente und Lager auf Achsen, Wellen oder innerhalb von Bohrungen daran, sich axial zu verschieben. Diese Sonderformen sind vielseitig anwendbar und bieten in vielen Fällen die kostengünstigste Lösung.  Sprengringe gibt es in zweierlei Ausführungen:

• Als Sprengring DIN 7993 für Wellen Ausführung A. Ihr Einsatz erfolgt in halbrunden Nuten auf einer Achse oder Welle.

• Als Sprengring DIN 7993 für Bohrungen Ausführung B. Sie werden ebenfalls in halbrunden Nuten innerhalb einer Bohrung oder Hülse eingesetzt.

Gutekunst Federn bietet Sprengringe für Wellen und Bohrungen in Normalstahl EN 10270-1 und Edelstahl EN 10270-3-1.4310 ab Lager in verschiedenen Abmessungen an.

Federstecker

Federstecker sichern axiale Bolzen, Achsen und Verdrehsicherungen, wie etwa Kronenmuttern. Sie gehören zu den schnellen Sicherungselementen. Je nach Maß des Bolzens, der gesichert werden soll, sind die Stecker in verschiedenen Größen und zwei verschiedenen Ausführungen erhältlich:

• Als Federstecker einfach mit einer Windung

• Als Federstecker doppelt nach DIN 11024 mit zwei Windungen. Der Kraftschluss des Federsteckers ist durch die doppelte Windung geringer. Der Anwender kann somit das Element durch die zweite Windung leichter setzen und ziehen.

Hier geht es zur Artikelauswahl von Federsteckern einfach und Federsteckern doppelt in Normalstahl EN 10270-1 und Edelstahl EN 10270-3-1.4310

Fokkernadeln oder Sicherungsklammern

Die Fokkernadel, auch als Sicherungsklammer bezeichnet, sichert Schraubverbindungen. Sie kommt vor allem in der Luftfahrt, aber auch in vielen weiteren Anwendungen zum Einsatz. Sie verhindert das ungewollte Lösen von Schrauben, das unter anderem durch Vibrationen verursacht werden kann. Dazu wird die Fokkernadel durch die Krone und das Gewindeloch geführt.

Hier geht es zur Artikelauswahl Fokkernadeln / Sicherungsklammern in Normalstahl EN 10270-1 und Edelstahl EN 10270-3-1.4310

Die folgenden Produkte gehören ebenfalls zu den Sicherungselementen:

• Splinte
• Stellringe
• Sicherungsscheiben
• Kronenmuttern
• Setzsicherung
• Spannscheiben
• Verliersicherung
• Losdrehsicherung

Welcher Federstahldraht ist für welche Anwendung geeignet?

Federstahldraht besitzt im Vergleich zu anderen Stählen eine höhere Festigkeit und kann bis zu einer bestimmten Spannung (Elastizitätsgrenze „Rp“) verformt werden. Mit dieser Eigenschaft kehrt der Federstahldraht nach Entlastung wieder in die Ausgangsstellung zurück, ohne dabei dauerhaft verformt zu werden. Federstahldraht EN 10270-3-1.4310 hat zum Beispiel eine Zugfestigkeit von 1250 bis 2200 N/mm², verglichen mit 360 N/mm² beim Baustahl S235JR. Hierbei ist der maßgebliche Unterschied das Streckgrenzenverhältnis, d.h. das Verhältnis von Elastizitätsgrenze zu Zugfestigkeit des Werkstoffs, welches bei Federstählen normalerweise bei >85 % liegt. Die Elastizität als Hauptmerkmal eines Federstahldrahts wird durch eine spezielle Legierung erreicht: Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Vanadium (V), Molybdän (Mo) und Nickel (Ni) werden im Herstellungsprozess zugegeben.
Federstahldrähte verfügen über eine große Zugfestigkeit und weisen eine hohe Elastizitätsgrenze auf. Diese wird durch das Elastizitätsmodul (E-Modul) beschrieben. Um bei der Fertigung von kaltgeformten Druckfedern, Zugfedern, Schenkelfedern und Drahtbiegeteilen Überlastungen oder Brüche zu vermeiden, müssen die Federstahldrähte ein sehr gutes plastisches Formveränderungsvermögen aufweisen, daher werden die meisten Federstahldrähte erst nach der Umformtechnik wärmebehandelt.

Nachfolgend werden die wichtigsten Eigenschaften der Federstahldrähte für die Herstellung von Druckfedern, Zugfeder, Schenkelfedern und Drahtbiegeteilen bei Gutekunst Federn aufgeführt. Neben dem Standard-Federstahl EN 10270-1 SH und DH, dem dynamisch anspruchsvollen Ventilfederdraht VDSiCr (Oteva 70) und den korrosionsbeständigen Edelstahlsorten 1.4310, 1.4401 und 1.4568 werden hier auch die unmagnetische Federbronze CuSn6 und der Kupfer-Beryllium-Federstahls CuB2 beschrieben, außerdem die warmfesten Federstahlsorten Nimonic 90, Inconel X-750 und Hastelloy C4. Über den Preisindex (Basis 100) wird zudem das Preisverhältnis der vorgestellten Federwerkstoffe aufgezeigt.

Wichtige Federstahldrähte und ihre Eigenschaften:

Unterstützung bei der Wahl des richtigen Federstahldrahts

Sie möchten nähere Informationen zu Federstahldrähten oder welcher Federstahldraht zu Ihrer Druckfeder, Zugfeder, Schenkelfeder oder Biegeteil passt? Die Technikabteilung von Gutekunst Federn erreichen Sie telefonisch unter (+49) 035877 227-11 oder über service@gutekunst-co.com.

Weitere Informationen:

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