Das Automation-NEXT-Kurzkompendium erklärt, was man unter Federn versteht und was einzelne Federn leisten können.

Das Automation-NEXT-Kurzkompendium erklärt, was man unter Federn versteht und was einzelne Federn leisten können. (Bild: Fotolia - strichfiguren.de)

Die Bandbreite an Federn ist riesig - es gibt es Blattfedern, Flachfedern, Wellenfedern, Drehfedern, Druckkfedern, Zugfedern, Federklammern und Sprenggringe – um nur einige zu nennen. Das Automation-NEXT-Kurzkompendium erklärt, was man eigentlich unter Federn genau versteht und was die einzelnen Typen leisten können.

Was genau sind eigentlich Federn?

Federn sind technische Bauteile aus Federstahl, die sich elastisch verformen können. Das heißt: Bei einer Belastung geben sie nach und nehmen dabei Kraft auf. Bei der Entspannung geben sie diese Energie wieder ab und kehren in die ursprüngliche Form zurück.

Woraus bestehen technische Federn?

Stahlfedern gibt es in vielfältigen Formen, Materialien und für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Federn bestehen unter anderem aus Federbandstählen, Federstahlblechen oder Federstahldrähten. Zudem können Federn aus Gummi und faserverstärkten Kunststoffen sowie Gasdruckfedern, die zur Federung als Hilfsmittel Gase verwenden, gefertigt sein.

Woher bekommen die Federtypen ihre Namen?

Die meisten Federarten erhalten ihre Bezeichnung durch ihr Aussehen. Man spricht von Formfedern, Bandfedern, Flachfedern, Blattfedern, von Federclips oder Federklammern, von Spiralfedern, Tellerfedern, Wellenfedern, Kegelfedern, Tonnenfedern oder Ringfedern.

Darüber hinaus gibt es Federtypen, die ihren Namen ihrer jeweiligen Funktion verdanken. Beispiele hierfür sind Druckfedern, Zugfedern, Drehfedern oder Drehstabfedern.

Das sind die Unterschiede der einzelnen Federn

Die Grafik beschreibt die bei unterschiedlichen Federtypen auftretenden Kennlinien in Bezug auf die einwirkende Kraft und die daraus resultierende Verformung der Feder.
Die Grafik beschreibt die bei unterschiedlichen Federtypen auftretenden Kennlinien in Bezug auf die einwirkende Kraft und die daraus resultierende Verformung der Feder. (Bild: Grafik: Gutekunst Federn)

Wodurch unterscheiden sich die Federn voneinander? Neben ihrer Form und dem Material werden Federn über die Federkonstante oder Federkennlinie definiert:

  • Die Federkonstante beschreibt die Kraftzunahme in Bezug zum Federweg oder zum Drehwinkel.
  • Mit der Federkennlinie wird der Verlauf einer Federkonstante dargestellt. Sie gibt das Verhältnis zwischen Federkraft und Verformungsweg wieder.

Die elastische Verformung erfolgt auf der Grundlage des Hookeschen Gesetz. Dieses beschreibt die elastische Verformung von Festkörpern, wenn die Verformung proportional zur einwirkenden Belastung ist.

Die meisten Federarten besitzen eine lineare Federkennlinie (2) mit einem gleichmäßigen Kraftverlauf, eine progressive Kennlinie (1), die mit zunehmender Verformung an Kraft zunimmt oder eine degressive Kennlinie (3), bei der die Kraft während dieses Vorgangs geringer wird. Hinzu kommen kombinierte Federkennlinien (5), die bei bestimmten Spannungszuständen oder Wegstrecken die Kräfte-Eigenschaften ändern, und flache Federkennlinien mit einer geringen Kraftzunahme (4).

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Wo werden technische Federn angewendet?

Als elastische Bauteile geben technische Federn unter Belastung nach und kehren bei Entlastung in ihre Ausgangform zurück. Auf dieser Funktion beruhen nahezu alle Anwendungen, bei denen technische Federn zum Einsatz kommen.

Sie werden unter anderem dazu eingesetzt, Maschinenteile zu bewegen und Schaltkontakte zu schließen oder zu öffnen. Im vorgespannten Zustand lassen sie sich als Antriebsenergie oder als Rückstellkraft in Schaltern und Drehmomentschlüsseln nutzen. Zudem kommen sie als kraftschlüssige Verbindung zum Einsatz – beispielsweise bei Türfeststellern oder Reibungskupplungen, zur Lastverteilungen bei einem Trampolin oder bei schwingfähigen Systemen, bei denen mithilfe von Federsystemen kinetische Energie in potenzielle Energie umgewandelt und abgefangen wird. Eine Auswahl der wichtigsten Federarten aus Stahl:

Blattfedern

Der Begriff Blattfeder galt lange Zeit als Überbegriff für Stahlfedern aus Flachmaterial. Heute versteht man darunter meistens Fahrwerksfedern aus Flachmaterial wie Vollelliptikfedern, Halbelliptikfedern und Parabelfedern. Heute unterscheidet man zwischen gerader, gekrümmter, gewundener oder scheibenförmiger Flachfeder.

Gerade Flachfedern

Beispiel einer Flachfeder.
Beispiel einer Flachfeder. (Bild: Gutekunst Federn)

Gerade Flachfedern lassen sich mithilfe eines Stanz- oder Stanzbiegeautomaten aus Federbandstahl stanzen und in Form bringen. Bei geringen Stückzahlen oder besonders filigranen Formen können sie gelasert oder geätzt werden. Zum Einsatz kommen gerade Flachfedern häufig in Kontaktsystemen elektrischer Schalteinrichtungen – zum Beispiel in Relais. Auf diese Weise lassen sich Kontaktfedern vorgespannt verbauen. Bei der Herstellung von Kontaktfedern wird häufig Federbronze CuSn6 und Kupferberyllium CuBe2 verwendet.

Gekrümmte Flachfedern und Formfedern

Beispiel für eine gekrümmte Flachfeder.
Beispiel für eine gekrümmte Flachfeder. (Bild: Gutekunst Federn)

Generell unterscheidet man zwischen gekrümmten Flachfedern und Formfedern:

  • Die gekrümmte Flachfeder besteht aus Geradenteilen und Kreisbogenteilen. Sie wird in der Regel mit einem Stanzbiegeautomaten aus Federbandstahl gestanzt und gleichzeitig in Form gebracht.
  • Formfedern hingegen werden meistens in der Grundform aus Federstahlblech durch Laserschneiden herausgeschnitten und mit nachfolgender Umformung durch Biegen, Prägen, Kanten und Tiefziehen hergestellt.

Die Formenvielfalt und damit das Anwendungsspektrum sind nahezu unbegrenzt. Die Berechnung der Krafteinwirkung auf die Federn ist komplex und lässt sich mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchführen. Manuell müssen dazu im Vorfeld machbare Abmessungen näherungsweise festgelegt werden. Berechnungsmodelle, die allgemeingültig sind, gibt es nicht. Wichtig sind daher Gestaltungsrichtlinien, bei denen insbesondere die Mindestbiegeradien einzuhalten sind.

Gewundene Flachfedern: Spiralfedern und Rollfedern

Folgen einer archimedischen Spirale: Spiralfedern.
Folgen einer archimedischen Spirale: Spiralfedern. (Bild: Gutekunst Federn)

Zu den gewundenen Flachfedern zählen Spiralfedern mit und ohne hohem Windungszwischenraum sowie Rollfedern. Die Herstellung der Spiralfedern erfolgt auf Radialbiegemaschinen. Sie haben unter anderem in der Automobilindustrie eine hohe Bedeutung und sind dort in Sicherheitsgurten, Fensterhebern oder Schlössern verbaut.

Rollfedern kommen beispielsweise in Federzugsystemen zum Einsatz. Gewundene Flachfedern eignen sich als Ausgleichsfedern für kleinere Drehwinkel. Dabei dient die gespeicherte Kraft als Ausgleich oder Rückstellmoment. Die Federkennlinie steigt nahezu geradlinig an. Beide Federtypen werden in einer Ebene nach der archimedischen Spirale gewunden. Ein konstanter Windungsabstand sorgt dafür, dass sich die einzelnen Windungen nicht berühren, und stellt zudem eine reibungsarme Funktion der Federn sicher.

Druckfedern

Beispiel einer Druckfeder.
Beispiel einer Druckfeder. (Bild: Gutekunst Federn)

Druckfedern, ebenfalls Schraubenfedern genannt, sind mechanische Kraftspeicher, die beim Zusammendrücken Kräfte aufnehmen und diese beim Entspannen wieder abgeben. Gefertigt werden sie aus runden, ovalen oder vierkantigen Federstahldrähten – in der Regel zylindrisch und mit gleichbleibender Steigung.

Der Federstahldraht wird dazu kalt umgeformt. Dies geschieht entweder durch Winden um einen Dorn (Einfingersystem) und bei vollautomatischen Federwindeautomaten mithilfe von Drahtführungsstiften (Zweifinger- oder Dreifingersystem). Im Gegensatz zu herkömmlichen Druckfedern mit einer gleichbleibenden Steigung können die Windungsabstände variieren. Das beeinflusst die Federkennlinie.

Informationen über die korrekte Auslegung von Druckfedern liefert das folgende Youtube-Video:

Federklammern: Federclips & Co.

Beispiele für Federklammern.
Beispiele für Federklammern. (Bild: Gutekunst Federn)

Federklammern – auch Federclips, Klemmfedern und Rohrklemmen genannt – werden aus Federbandstahl gestanzt und umgeformt oder aus Federstahlblech gelasert und anschließend in Form gebracht.

Haupteigenschaft ist die kraftschlüssige Verbindung. Sie kommen dort zum Einsatz, wo Bauteile am richtigen Platz justiert, arretiert, eingerastet oder fixiert werden sollen. Unter anderem dienen sie zum Fixieren von Papieren, Festhalten von Namensschildern oder als Ersatz für Büroklammern. Darüber hinaus eignen sie sich dazu, Werkzeuge, Schläuche und Ähnliches aufzuhängen.

Wellenfedern

Beispiel für eine Wellenfeder.
Beispiel für eine Wellenfeder. (Bild: Gutekunst Federn)

Wellenfedern werden auch als axiale Wellenfedern oder Wellfedern bezeichnet. Sie sind aus gewundenem Flachdraht gefertigt und erhalten ihre Federwirkung 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 dieser reduzierten Bauhöhe können Wellenfedern die gleiche Kraft erzeugen wie beispielsweise Druckfedern. Durch die Anzahl der Windungen, der Wellen sowie der Wellengrößen lässt sich die geforderte Federkonstante bestimmen und herstellen. aru

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Jürgen Mugrauer,
Jürgen Mugrauer, Marketingleiter bei Gutekunst. (Bild: Gutekunst Federn)

Vier Fragen zur Digitalisierung an Jürgen Mugrauer, Marketingleiter bei Gutekunst

Welche Rolle wird Ihrer Meinung nach die Digitalisierung bei Maschinenelementen spielen?  

Wenn Sie das Internet der Dinge ansprechen? Keine! Aus meiner Sicht werden einfache Maschinenelemente wie unsere Metallfedern nie ein Eigenleben, mit RFID-Sender oder ähnliches, führen. Dafür sind sie einfach monetär zu unbedeutend und meistens viel zu klein. Aber man soll ja niemals nie sagen.

Wie bereiten Sie sich auf die Digitalisierung vor?

Gutekunst transformiert seit Jahren sein Know-how rund um die Federntechnik auf digitale Online-Medien wie Blogs, Foren, Industrieportale und die Webseite. Dazu haben wir unser Online-Angebot mit dem Federnshop, der Federberechnung, dem Anfrage-Assistenten und dem CAD-Daten-Generator in den letzten zehn Jahren ständig erweitert und verbessert. Damit haben wir unsere Kundenansprache komplett ins Netz verlegt. Wir verteilen seit Jahren keine Papierkataloge mehr und  besuchen auch keine Messe nach der anderen. Unsere Kunden kommen heute zu 90 Prozent über ihre  Internetsuche zum Thema Federn zu uns. Wenn Sie zum Beispiel eine Formel für die Federkonstante suchen oder ein Problem mit der richtigen Federwerkstoffauswahl haben, dann treffen Sie meistens auf unsere Informationen und Serviceprogramme im Netz, mit denen Sie ihr Federnproblem und ihren Federnbedarf lösen. Mit heute 800 Top-10-Keywords bei Google & Co. rund um das Thema Metallfedern decken wir einen Großteil des Informationsbedarfs unserer Zielgruppe ab.

Verfügen Sie bereits über intelligente Komponenten?

Noch nicht, wir arbeiten aber daran. Wir haben uns in letzter Zeit unter anderem mit Chatbots auseinandergesetzt, und wir halten Chatbots für einen unausweichlichen Großtrend in den nächsten Jahren. Wenn man nur alleine die Kommunikationsangebote von Alexa, Siri oder Google Assistant betrachtet, dann sollte man als mittelständisches Industrieunternehmen dringend an einer digitalen Lösung arbeiten.

Wo sehen Sie die größten Einsatzfelder?

Ich denke, dass es bei Maschinenelementen vor allem darauf ankommt, dass sie jederzeit und überall schnell und unkompliziert verfügbar sind. Eine Bedarfsanfrage über Alexa und zwei Stunden später wird das gewünschte Maschinenelement an der Maschine angeliefert. Das ist aus meiner Sicht die Zukunft – einfach, schnell und über einen standardisierten Bestell- und Logistikprozess. Hierzu benötigt man eine digitale Strategie und ein umfassendes digitales Informations-, eCommerce- und Logistikkonzept. Wir von Gutekunst arbeiten daran. aru

Auf dem Weg zur richtigen Feder

Wenn Konstrukteure erfahren möchten, welche technische Feder für Ihre spezielle Anwendung am besten geeignet ist, können sie für Federn aus Fachmaterial (Flachfedern, Formfedern, Federklammern, Spiralfedern und ähnliches) die Technikabteilung von Gutekunst Formfedern in Pfalzengrafweiler unter der Telefonnummer 07445 -8516-30 oder über die E-Mail-Adresse technik@gutekunst-formfedern.de kontaktieren. Infos dazu finden interessierte Konstrukteure auf der Webseite: www.formfedern.com.

Bei Fragen zu Federn aus Rundmaterial (Druckfedern, Zugfedern, Schenkelfedern, Sprengringe und ähnliches) kontaktieren Konstrukteure die Technikabteilung von Gutekunst Federn in Metzingen, entweder telefonisch unter 07123 960-192 oder per Mail über die E-Mail-Adresse verkauf@gutekunst-co.com. Weitere Infos stehen auf der Webseite: www.federnshop.com

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