Auswahl von Zugfedern und Druckfedern - Übersicht / Nutzung / Anwendungsbeispiele

Zugfedern und Druckfedern sind mechanische Bauteile, welche vielseitig in der Industrie eingesetzt werden können.

Dieser Artikel widmet sich den Zugfedern und Druckfedern, indem eine Übersicht gegeben wird und ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten im Maschinenbau und Sondermaschinenbau beleuchtet. Die Berechnung der Federn wird in diesem Blog nicht thematisiert.

Beschreibung von Zugfedern

Zugfedern sind mechanische Elemente, die dazu entwickelt wurden, Zugkräfte zu erzeugen, wenn sie auseinandergezogen werden.

Sie bestehen in der Regel aus einem Draht, der spiralförmig gewickelt ist, und können so konstruiert werden, dass sie Energie speichern und bei Bedarf wieder freisetzen. Zugfedern sind in der Lage, lineare Kräfte in Zugrichtung auszuüben und sind daher äußerst nützlich in Anwendungen, in denen Bewegung, Federkraft und Kontrolle benötigt werden.

Zum einfachen Befestigen gibt es Zugfedern mit Haken oder Zugfedern mit Öse.

Weitere Einsatzmöglichkeiten im Maschinenbau sind das Einsetzen von Zugfedern in Sicherheitsschaltern und elektrischen Schaltungen. Bei Sicherheitsschaltern sorgt die Zugfeder dafür, den Schalter in einer „ausgeschalteten Position“ zu halten, bis dieser manuell zurückgesetzt wird. In elektrischen Schaltungen und Geräten können Zugfedern als Kontaktelemente oder Verbindungselemente eingesetzt werden.

Beschreibung von Druckfedern

Druckfedern haben den Nutzen in bestimmten Mechanismen, die Bewegung zu kontrollieren oder Komponenten in Position zu halten. Beispielsweise in Schaltknöpfen oder Schaltern werden Druckfedern verwendet, um den Schalter in die Ausgangsposition zurückzubringen. In Sicherheitsventilen sorgen sie dafür, dass sich das Ventil erst bei einem bestimmten Druck öffnet.

Druckfedern sind in der DIN 2098 genormt.

Vorteile von Druckfedern und Zugfedern

Federn habe eine hohe Lebensdauer, sofern sie für die statische und dynamische Belastung richtig ausgelegt werden. Außerdem zeichnen sich Federn durch Wartungsfreiheit aus. Sie passen sich in der Länge an und müssen daher nicht nachgestellt werden. Weitere Vorteile können sein:

• Stoßdämpfung
• präzise Kontrolle
• einfache Konstruktion
• geringes Gewicht
• relativ hohe Resistenz gegen Umwelteinflüsse

Auch das Federmaterial kann man sich zunutze machen. Federn aus Kunststoff sind z.B. besonders leicht im Vergleich zu Stahlfedern und Federn aus Edelstahl oder Titan korrosionsbeständiger.

Das Material beeinflusst die Haupteigenschaften der Feder. Kunststoffe sind leicht und für feuchte Umgebungen geeignet, Federn aus Titan sind mit hohen Federraten bei geringerem Gewicht geeignet. Edelstahlfedern sind korrosionsbeständig, aber nicht so leicht wie Kunststoff, können aber höher belastet werden.

Auslegung und Kenngrößen von Druckfedern und Zugfedern

Federn werden in erster Linie nach wirkender Maximalkraft, Federweg, Material und Federkonstante ausgelegt. Zusätzlich spielen Faktoren wie verfügbarer Bauraum oder Federkraftkennlinie bei Spezialanwendungen eine Rolle. Bei der Auswahl von Zugfedern und Druckfedern können folgende Parameter berücksichtigt werden:

Bauart der Feder

Die Bauart einer Feder hängt von den Anforderungen ab und richtet sich nach der erforderlichen Federkraft, der Bewegungsrichtung und den Umgebungsbedingungen.

Die Zugfeder und Druckfeder muss so ausgelegt sein, dass sie den erwarteten Belastungen sowie die gewünschten Lebensdauern erfüllt. Hierbei spielt auch die Auswahl des Materials eine wichtige Rolle. Zum Beispiel werden Zugfedern aus Edelstahl dort eingesetzt, wo es auf Korrosionsbeständigkeit ankommt.

Außendurchmesser der Federwicklung

Der Außendurchmesser bei Federn ist der äußere Durchmesser der Federwicklung oder des Federkörpers. Er wirkt sich vor allem auf den Raum aus, den die Feder einnimmt. Je größer, desto weniger geeignet ist die Feder für Anwendungen mit begrenztem Raum, wie z.B. in der Elektronik. Auch die Passform sollte beachtet werden, damit benachbarte Komponenten nicht überlastet werden. Der Außendurchmesser beeinflusst auch die Federkonstante. Je größer der Außendurchmesser, desto höhere Belastungen kann die Feder bei gleichem Weg und Drahtdurchmesser aufnehmen.

Konische Druckfedern unterscheiden sich zu herkömmlich zylindrischen Schraubenfedern zum Beispiel durch ihre konische Form der Federwicklung und sie besitzen eine progressive Federcharakteristik.

Drahtdurchmesser der Wicklung

Der Drahtdurchmesser ist der Durchmesser des Drahtmaterials. Neben den Faktoren, die auch der Außendurchmesser beeinflusst, hat der Drahtdurchmesser auch direkten Einfluss auf den Federweg. Der Federweg ist die Differenz zwischen der freien Länge und der komprimierten oder gestreckten Länge der Feder unter Belastung.

Federn mit größerem Drahtdurchmesser haben in der Regel einen kleineren Federweg, während Federn mit kleinerem Drahtdurchmesser einen größeren Federweg ermöglichen.

Freie Länge der Feder

Die freie Länge gibt die Länge an, welche die Feder ohne Belastung an den beiden Enden hat. Sie ist der Teil des Belastungsbereichs, in dem die Feder effektiv arbeiten kann. Die freie Länge ist Ausgangspunkt zur Berechnung des Federwegs.

Maximale Zuglänge einer Zugfeder

Bei einer Zugfeder ist die maximale Zuglänge die Länge, die bei Krafteinwirkung an beiden Enden maximal erreicht werden kann. Die maximale Zuglänge begrenzt den Federweg. Je länger die maximale Zuglänge bei gleichbleibendem Material, Durchmesser und Drahtstärke ist, desto größer ist die aufnehmbare Last.

Maximale komprimierte Länge einer Druckfeder

Die maximale komprimierte Länge ist die kürzeste mögliche Länge einer Druckfeder, die bei Zusammendrücken unter einer bestimmten Druckbelastung möglich ist, ohne dass sich die Druckfeder dauerhaft verformt oder versagt. Dabei darf die Feder nicht die Blocklänge - die Länge, wenn die Federwindungen sich gegenseitig berühren - erreichen. Bei der Federauslegung wird ein Puffer zur Blocklänge berücksichtigt, um Setzungserscheinungen zu verhindern.

Federkonstante für die Berechnung von Schraubenfedern

Die Federkonstante (auch Federrate oder Federsteifigkeit) beschreibt, wie stark eine Schraubenfeder sich verformt, wenn eine bestimmte Kraft auf sie ausgeübt wird. Sie wird in der Einheit Newton pro Meter (N/m) gemessen.

Je höher die Federkonstante bei gleichbleibenden Bedingungen ist, desto:

• größer ist die aufnehmbare Kraft
• geringer ist der Federweg
• höher ist die Resonanzfrequenz
• effektiver die Dämpfung

Je nach Anwendung kann z.B. eine hohe Steifigkeit erforderlich sein, um präzise Kräfte oder Bewegungen zu steuern. Wird eine weichere Federung oder bessere Stoßdämpfung bevorzugt, kann dies durch eine niedrigere Steifigkeit erreicht werden.

Möchten Sie mehr über die Berechnung von Zugfedern und Druckfedern erfahren? Dann lesen Sie gern den Artikel Berechnung zur Auslegung von Federn.

Ausgangsspannung von Schraubenfedern

Die Ausgangsspannung ist die innere Spannung einer Schraubenfeder in ihrer neutralen oder entspannten Position, bevor eine äußere Kraft auf sie ausgeübt wird. Eine höhere Ausgangsspannung führt zu einer steiferen Feder, während eine niedrigere Ausgangsspannung zu einer nachgiebigeren Feder führt.

Anwendungsbeispiele für Zugfedern wären beispielsweise der Maschinenbau, wo Zugfedern dafür verwendet werden, um bewegliche Teile zurück in die Ausgangsposition zu ziehen. So können sie in Hebesystemen oder Positionierungssystemen eingesetzt werden, um ein Gleichgewicht oder eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten.

In der Textilindustrie, werden Zugfedern in Spinnmaschinen und Webmaschinen eingesetzt. Dort halten sie die Fäden gespannt und gewährleisten so, dass der Faden während des Produktionsprozesses die richtige Spannung hat und gleichmäßig gezogen wird.

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