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Maschinenelemente 2 - Elastische Verbindungselemente

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Maschinenelemente 2

Elastische Verbindungselemente

In diesem Abschnitt wenden wir uns den elastischen Verbindungselemente zu und hierbei speziell der Feder. Dazu werden wir zuerst die unterschiedlichen Bauformen behandeln und anschließend widmen wir uns der Berechnung von Federn.

In den nächsten Abbildungen sehen Sie unterschiedliche Einsatzbereiche für eine Feder:

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Feder

Feder
Feder

Merke

Genauso wie andere Maschinenbauteile können auch Federn anhand der vier Grundbeanspruchungsarten berechnet werden.  

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. 

Merke

Eine Feder besitzt energiespeichernde und energieverzehrende Eigenschaften.

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. Sicherheitsventiele 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 beinahe immer unerwünscht, weshalb Federelementen verwendet werden um diese zu dämpfen. Auf diesem Weg können Bauteile aus der Resonanz herausgeführt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem Resonanzfall. 

Unterscheidungskriterien für Federn

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

Man unterscheidet beispielsweise:

  • Schraubendruckfedern,
  • Schraubenzugfedern,
  • Tellerfedern
  • Blattfedern,
  • Zugstäbe,
  • Torsionstäbe,
  • usw.

Nachfolgend teilen wir die Federn nach Werkstoff und Beanspruchungsart ein:

  • Werkstoff: Metallische Federn, Nichtmetallische Federn, Gasfedern & Luftfedern [nicht näher behandelt] 
  • Beanspruchungsart: Zugfedern, Druckfedern, Torsionsfedern, Druckfedern, 

Merke

Sowohl die metallischen als auch die nichtmetallischen Federn können nach der Beanspruchungsart weiter unterschieden werden. Einen besonders hohen Stellenwert im Maschinenbau besitzen die Druckfedern, weshalb diese besonders intensiv innerhalb dieses Kurses behandelt werden.
Druckfeder (links), Zugfeder (rechts)
Druckfeder (links), Zugfeder (rechts)