Elastische Verbindungselemente - Federn

In diesem Abschnitt werden wir uns den elastischen Verbindungselementen zuwenden und hier speziell den  Federn.

Dazu werden wir zunächst einige Grundlagen klären, wie z.B

• Hinweise zur Federkennlinie geben,
• die unterschiedlichen Bauformen von Federn betrachten,
• Hinweise zur Beanspruchungsart erarbeiten und
• anschließend den wichtigen Berechnungen von Federn widmen.

In den nächsten Abbildungen siehst du zunächst einige unterschiedliche Einsatzbereiche für eine Feder:

Feder

Der Unterschied zu anderen Bauteilen besteht in erster Linie darin, dass Elastische Verbindungselemente und deren elastische Formänderung unter Kraftgrößen konstruktiv genutzt werden. Federn können Arbeit aufnehmen, ganz und teilweise als Formänderungsenergie speichern und nach der Entlastung wieder ganz oder teilweise abgeben. 

Besonders die große elastische Verformbarkeit spielt eine entscheidende Rolle und beschreibt die primäre Funktion der Feder. Gewährleistet wird diese Verformbarkeit durch die Formgebung der Feder. 

Die wichtigsten Nutzungsmöglichkeiten einer Feder sind nachfolgend aufgelistet:

Technische Nutzung

• Speicherung potentieller Energie: Diese Federfunktion wird in Sicherheitsventilen genutzt. Sicherheitsventile öffnen sich erst, wenn ein zuvor festgelegter Druckgrenzwert überschritten wird. 

• Aufnahme und Speicherung kinetischer Energie: Diese Eigenschaft von Federn wird besonders in Fahrzeugen in Kombination mit Energiewandlern genutzt, um Unebenheiten auf Straßen auszugleichen. 

• elastischer Kraftschluss zwischen Bauteilen:

Es können Formänderungen aufgenommen werden. $ \rightarrow $ lastabhängige Biegung, temperaturäbhängige Verformung
Es können kraftgesteuerte Bewegungen erzeugt werden. $ \rightarrow $ Sicherheitsventile
Es können Kraftverformungszusammenhänge erzeugt werden. $ \rightarrow $ Federwaagen zum Wiegen von LKW-Ladungen, Drehmomentschlüssel 

• Beeinflussung des dynamischen Verhaltens eines Systems: Ändert sich das dynamische Verhalten eines Systems (Maschine), so entstehen Stöße und Schwingungen, die eine Resonanz erzeugen. Eine Resonanz ist nahezu immer unerwünscht, weshalb Federelemente verwendet werden, um diese zu dämpfen. Auf diesem Weg können Resonanzen der Bauteile verhindert werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem Resonanzfall. 

Grundsätzlich können Federn aber auch folgende weitere Aufgaben besitzen:

• mechanische Stöße dämpfen
• Toleranzen sowie Ausdehnungen infolge Wärme oder Verschleiß von Maschinenteilen ausgleichen sowie
• den Kontakt zwischen Funktionsteilen (z.B. Stromabnehmern) ermöglichen.

Unterscheidungskriterien für Federn

Neben der Gestaltung der Federn nach mechanischen Gesichtspunkten können Federn entsprechend ihrer äußeren Gestalt unterschieden werden.

Man unterscheidet beispielsweise:

• Schraubendruckfedern
• Schraubenzugfedern
• Tellerfedern
• Blattfedern
• Zugstäbe
• Torsionstäbe

Nachfolgend wollen wir die Federn allgemein einmal sowohl nach dem

• Werkstoff: metallische Federn, nichtmetallische Federn, Gasfedern & Luftfedern (nicht näher behandelt) als auch nach der
• Beanspruchungsart: Zugfedern, Druckfedern, Torsionsfedern, Druckfedern

unterteilen:

Unterteilung der Federn nach dem eingesetzten Metall

Unterteilung der Federn nach der Beanspruchung des Federwerkstoffes

Wie ihr seht unterscheiden sich die metallischen (als auch die nichtmetallischen Federn) je nach der Beanspruchungsart.

Einen besonders hohen Stellenwert im Maschinenbau besitzen dabei die Zug- und Druckfedern, weshalb diese besonders intensiv innerhalb dieses Kurses behandelt werden sollen.