Die optimale Metallfeder für den Einsatzzweck auswählen

Vorab einige grundsätzliche Informationen zu den verschiedenen Metallfedernarten: Druckfedern werden mit Abstand am häufigsten eingesetzt. Das liegt nicht nur an der Richtung der Krafteinwirkung, sondern vor allem an den überlegenen Belastungseigenschaften der Druckfeder. Denn Druckfedern können besser mit größeren Kräften umgehen, auch in Dauerfestigkeitsanwendungen mit über 107 Lastwechseln. Neben der großen Materialauswahl 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 sinnvoll, eine Zugfederanwendung auf eine Druckfeder umzubauen.

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. Wegen der aneinander liegenden Windungen ist eine Oberflächenbehandlung der Zugfeder nur mit einem erhöhten Aufwand möglich.

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

Grundsätzlich werden Metallfedern nach ihrer Kennlinie beurteilt. Die Federkennlinie ist der Charakter der Metallfedern. Sie stellt das Verhältnis der Federkraft „F“ zum Federweg ‚s‘ dar. Je nach Federntyp, Federnbauform, Windungsabstand und Federsystem kann man lineare, progressive oder degressive Federkennlinien erzeugen. Bei einer linearen Federkennlinie wird die Kraft gleichmäßig abgegeben, bei einer progressiven Kennlinie verstärkt sich die Kraftentfaltung mit Zunahme der Belastung und bei einer degressiven Kennlinie verringert sich die Kraftentfaltung mit der Belastung. Zu 95 % werden zylindrische Metallfedern mit linearer Federkennlinie eingesetzt. Daher haben alle Standardfedern aus dem Katalogsortiment von Gutekunst Federn eine zylindrische Bauform mit einer linearen Kennlinie. Nachdem man mittels Federkennlinie und Kraftverlauf den Charakter der Metallfeder und die Federnart bestimmt hat, müssen zur optimalen Auswahl und Auslegung noch die Baumaß- und Kraftdaten der Metallfeder sowie der Federwerkstoff festgelegt werden.

Welche Dimensionen hat der Einbauraum, in den die Metallfeder eingesetzt werden soll? Welchen Durchmesser und welche Länge darf beziehungsweise muss die Metallfeder besitzen, damit sie eingebaut werden kann? Dazu wird die Einbausituation überprüft. Wird die Druckfeder durch einen Dorn oder innerhalb einer Hülse geführt, muss die Reibung während der Federarbeit in einer Hystereseschleife berücksichtigt werden. Bei einem Einbau der Druckfeder ohne Führung 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. Und bei der Schenkelfeder müssen die Schenkelform und die Windungsrichtung an die Einbausituation angepasst werden. Bei Schenkelfedern ist es zudem wichtig, dass diese immer nur in Windungsrichtung belastet werden. Baumaße und Einbausituation sind Voraussetzung für die korrekte Auslegung der Feder. Hier dürfen auch die Toleranzwerte im ruhenden und belasteten Zustand, die bis zu ± 5 % der jeweiligen Maße betragen können, nicht außer Acht gelassen werden.

Zu den Baumaßen werden dann die geforderten Federkräfte ‚F*‘ bei den verschiedenen Spannungszuständen, nach zurückgelegtem Federweg ‚s*‘ oder gespannter Federlänge ‚L*‘ festgelegt. Meistens werden die Federn vorgespannt eingebaut, das heißt die Feder erzeugt bereits eine bestimmte Vorspannkraft im Ruhezustand. Diese Kraft wird als ‚F1‘ (vorgespannte Federkraft) bezeichnet. Ebenso muss die benötigte Federkraft im gespannten Zustand, ‚F2‘ (gespannte Federkraft), angegeben werden. Zu diesen beiden Federkräften müssen noch die jeweils zurückgelegten Federwege ‚s1‘ und ‚s2‘ oder gespannten 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.

Zur Bestimmung des geeigneten Federwerkstoffs sind das Umgebungsmedium und der Einsatzzweck ausschlaggebend. Muss die Feder korrosionsbeständig sein oder gegen aggressive Säuren bestehen? Wird sie in der Lebensmittelbranche eingesetzt oder muss sie medizinisch rein sein? Daraus kann dann hergeleitet werden, welcher Federstahl der passende ist und ob die Notwendigkeit einer zusätzlichen Oberflächen­behandlung besteht. Auch die Einsatztemperatur be­einflusst entscheidend die Auswahl des passenden Werkstoffs. Es gibt bevorzugte Federstähle für Niedrigtemperatur- und für Hochtemperaturanwendungen. Besonders bei Hochtemperaturanwendungen muss die Relaxation des Federwerkstoffs bei der Kräfteauslegung berücksichtigt werden: Mit steigender Temperatur und Belastungsdauer tritt ein zunehmender Kraftverlust auf. Falls Unsicherheit besteht bezüglich des Federwerk-stoffs oder der Oberflächenbehandlung, reicht es auch aus, die Grundeigenschaft, zum Beispiel ‚säurebeständig‘ zusammen mit der benötigten Lastwechsel­anzahl (gesamte Lebensdauer), der Einsatzumgebung und der Einsatztemperatur anzugeben. Die optimale Auslegung erfolgt dann durch die Spezialisten von Gutekunst Federn.