Verschiedene Arten von Federn und ihre Anwendung

Federn sind mechanische Komponenten von enormer Bedeutung, die in vielen Produkten zur Bewegungserzeugung, Verbesserung der Stoßdämpfung usw. verwendet werden. Mit anderen Worten: Rapid-Prototyping-Dienste wie 3D-Druck und CNC-Bearbeitung können verschiedene Arten von Federn herstellen, die bei der Erzeugung und Herstellung von Produkten wie Uhren, Mobiltelefonen usw. eingesetzt werden.

Angesichts der weit verbreiteten Verwendung von Federn im Produktdesign ist es wichtig, ihre Typen, Anwendungen und Leistungsmerkmale zu verstehen. Dieser Artikel bietet einen detaillierten Überblick über die verschiedenen Federtypen, ihre Vorteile, Einschränkungen und praktischen Anwendungen.

Prinzip des Frühlings

Beginnen wir mit etwas über Federn. Eine Feder speichert Energie, wenn Kraft angewendet wird, und gibt sie frei, sobald die Kraft entfernt wird. Normalerweise kehrt eine Feder, unabhängig vom Typ, nach dem Entfernen der Last in ihre ursprüngliche Form zurück.

Die Funktionalität von Federn wird bestimmt durch Hookesches Gesetz, das die Beziehung zwischen der angewandten Kraft und der Elastizität der Feder definiert. Einfach ausgedrückt besagt das Hookesche Gesetz, dass die zum Zusammendrücken oder Ausdehnen einer Feder erforderliche Kraft direkt proportional zur Verschiebung ist.

Mathematisch wird das Hookesche Gesetz ausgedrückt als F= -kX,

F = auf die Feder ausgeübte Kraft

X = Verschiebung der Feder (der negative Wert zeigt an, dass die Rückstellkraft entgegengesetzt zur Richtung ist).

k = ist die Federkonstante. Sie hängt von der Art der Federn ab und zeigt die Steifigkeit an.

Verschiedene Arten mechanischer Federn und ihre Anwendungen

Federn werden aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, haben unterschiedliche Formen, Funktionen usw., was unterschiedliche Anwendungen erforderlich macht. Es gibt drei Hauptkategorien, wobei jede Kategorie unterschiedliche Unterkategorien hat.

Kategorie eins: Schraubenfedern

Schraubenfedern sind die am häufigsten verwendeten Federn in der Produktherstellung. Diese Federn werden durch spiralförmiges Aufwickeln von Draht hergestellt und sind in verschiedenen Querschnitten erhältlich. Nachfolgend finden Sie die Federtypen in dieser Kategorie.

1. Druckfedern

Druckfedern verfügen über eine offen gewickelte Schraubenkonstruktion mit konstantem Windungsdurchmesser und variabler Form und widerstehen so einer axialen Kompression.

Das einfachste Anwendungsbeispiel ist der Kugelschreiber, wo es für den „Knall“-Effekt verantwortlich ist. Es ist auch in Ventilen und Aufhängungen anwendbar.

2. Zugfedern

Zugfedern haben im Gegensatz zu Druckfedern eine geschlossene Spiralfederkonstruktion. Sie erzeugen Spannung, speichern Energie und nutzen diese, um in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren.

Ein einfaches Anwendungsbeispiel sind Garagentore. Andere finden sich in Zughebeln, Backenzangen und Waagen.

3. Torsionsfedern

Zwei Enden einer Torsionsfeder sind an verschiedenen Komponenten befestigt. Dadurch werden die beiden Komponenten in einem bestimmten Winkel voneinander getrennt. Diese Federn verwenden eine radiale Richtung, wenn aufgrund der Drehung eine Kraft radial wirkt. Darüber hinaus CNC-Bearbeitungsmöglichkeiten kann kundenspezifische Torsionsfedern mit zwei Körpern in großen Stückzahlen herstellen.

4. Spiralfedern

Spiralfedern werden hergestellt, indem rechteckige Metallstreifen zu flachen Spiralen gewickelt werden. Bei Aktivierung speichern sie eine beträchtliche Energiemenge und können diese mit konstanter Geschwindigkeit freisetzen. Durch die konstante Freisetzung eignen sie sich für mechanische Uhren, Spielzeuge und Sitzlehnensessel.

Kategorie zwei: Blattfedern

Blattfedern bestehen aus rechteckigen Metallplatten, auch Blätter genannt. Die rechteckigen Metallplatten sind normalerweise verschraubt und geklemmt und werden hauptsächlich in schweren Fahrzeugen verwendet. Nachfolgend finden Sie die verschiedenen Arten von Blattfedern und ihre Anwendungen.

1. Elliptische Blattfeder

Durch die Verbindung zweier halbelliptischer Federn in entgegengesetzter Richtung entsteht eine elliptische Blattfeder, die eine elliptische Form bildet. Bei älteren Autos befestigten diese Federn die Achse und den Rahmen, sodass keine Schäkel mehr nötig waren, da sich beide halbelliptischen Federn beim Zusammendrücken gleichmäßig verlängerten. In modernen Fahrzeugen werden sie jedoch nicht mehr verwendet.

2. Halbelliptische Blattfeder

Dies sind die beliebtesten Blattfedern in Automobilen. Sie bestehen aus Stahlblättern mit unterschiedlicher Länge, aber gleicher Breite und Dicke. Das oberste/längste Blatt an den beiden Enden ist das Hauptblatt. Die Anordnung der Stahlblätter ähnelt einer halbelliptischen Form.

Bei halbelliptischen Blattfedern ist ein Ende fest mit dem Fahrzeugrahmen und das andere mit der Schäkelfeder verbunden. Dies hilft dabei, die Längen zu variieren und Stöße bei Fahrten in unebenem Gelände abzufedern. Sie erfordern weniger Wartung, sind leicht zu reparieren und haben eine lange Lebensdauer.

3. Viertelelliptische Blattfeder

Die auch als Cantilever-Blattfeder bekannte Viertelellipsenblattfeder ist ebenfalls alt. Ein Ende dieser Federn ist mithilfe einer U-Klemme oder eines I-Bolzens am Seitenteil des Rahmens befestigt. Das andere Ende ist frei mit der Vorderachse verbunden. Wenn der Vorderachsträger einer Stoßbelastung ausgesetzt ist, richten sich die Blätter auf, um den Stoß zu absorbieren.

4. Dreiviertelelliptische Blattfeder 

Ein einfaches Anwendungsbeispiel ist ein Türscharnier. Beim Öffnen der Tür speichert die Feder ihre Rotationsenergie. Beim Loslassen der Tür nutzt sie die gespeicherte Energie, um die Tür wieder in ihre Ausgangsposition zu bringen. Die Rotationskraft hängt von der Drehung der Feder ab.

Dieser Typ kombiniert eine Viertelellipsenfeder und eine halbelliptische Feder. Ein Ende des halbelliptischen Teils wird am Fahrzeugrahmen befestigt, während das andere Ende mit der Viertelellipsenfeder verbunden ist, die dann mit einem I-Bolzen am Rahmen befestigt wird.

5. Querblattfeder

Eine Querblattfeder entsteht durch die Montage einer halbelliptischen Feder über die gesamte Breite des Fahrzeugs. Das längste Blatt befindet sich unten, während der mittlere Teil mit einem U-Bolzen am Rahmen befestigt ist. Obwohl bei dieser Konstruktion zwei Schäkel verwendet werden, kann es zu einem Rollen kommen, was sie ungeeignet macht für Kfz-Befestigungselemente.

Kategorie drei: Tellerfedern

Tellerfedern sind einzelne oder mehrere Federn, die in Reihe oder parallel übereinander gestapelt sind, sodass sie hohe Lasten auf engstem Raum aufnehmen können. Zu den Arten von Tellerfedern gehören:

1. Belleville-Tellerfeder

Die Belleville-Tellerfeder, auch als kegelförmige Tellerfeder bekannt, hat eine schalenförmige Konstruktion. Sie liegen nicht flach. Stattdessen nehmen sie eine kanonische Form an, die komprimiert und es ihnen ermöglicht, schwere Lasten zu bewältigen.

2. Gebogene Scheibenfeder

Sie werden auch Halbmondscheiben genannt und üben leichten Druck auf ihre Gegenstücke aus, um ein Lösen aufgrund von Vibrationen zu verhindern. Sie eignen sich zur gleichmäßigen Lastverteilung von Gewindebolzen, Schrauben und Muttern in Maschinen, die ständige Vibrationen erzeugen.

3. Schlitzscheibenfeder

Schlitze am Außen- und Innendurchmesser einer Scheibe bilden eine geschlitzte Tellerfeder. Diese Konstruktion reduziert die Belastung und erhöht die Durchbiegung, weshalb geschlitzte Tellerfedern häufig in Automatikgetrieben, Kupplungen und Überlastkupplungen eingesetzt werden.

4. Wellenscheibenfedern

Wellentellerfedern haben mehrere Wellen pro Windung und eignen sich für Preise und vorhersehbare Belastungen. Hier können sie als Puffer wirken, indem sie Spannungen aufgrund axialer Kompression absorbieren.

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Materialien zur Herstellung von Federn

Entgegen der allgemeinen Annahme, dass Federn nur aus Eisen bestehen, gibt es sie aus verschiedenen Materialien. Diese Materialien beeinflussen die Eigenschaften, Typen und Anwendungen von Federn. Nachfolgend sind einige häufig verwendete Materialien aufgeführt:

Beryllium Kupferlegierung

Federn aus dieser Legierung bieten eine hohe Festigkeit, geringe Kriechneigung und ausgezeichnete Leitfähigkeit. Sie eignen sich ideal zum Formen komplexer Formen und sind daher für den Einsatz in Musikinstrumenten, Messgeräten und Kugeln geeignet.

Keramik

Keramik eignet sich für die Herstellung von Federn, die bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden. Es ist abrieb- und wasserbeständig und sehr hart. Außerdem hat es einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine geringe Dichte.

Eindirektionale Glasfaserverbundmaterialien

Eindirektionales Glasfaserverbundmaterial ist eine verstärkte Glasfaser mit hoher Festigkeit. Daher erwägen Hersteller es nun als potenzielles Material für die Herstellung aller Federn.

Gummi/Urethan

Diese Materialien eignen sich zur Herstellung von Federn mit zylindrischem/nicht gewundenem Design. Sie sind sicher und zuverlässig und aufgrund ihrer nichtleitenden Eigenschaften können sie in Produkten eingesetzt werden, bei denen immer Probleme mit Magnetismus, Korrosion und Vibration auftreten.

Stahllegierungen

Stahllegierungen sind aufgrund ihrer hervorragenden Festigkeit und Haltbarkeit das am häufigsten verwendete Material für Federn. Obwohl sie mit anderen Materialien verbessert werden können, bleiben ihre Kerneigenschaften äußerst zuverlässig.

Die Vorteile der Verwendung von Federn in Ihren Projekten

Federn sind in vielen Anwendungen unverzichtbar und bieten Flexibilität, Energiespeicherung und präzise Steuerung. Indem Sie sie in Ihre Designs integrieren, können Sie die Funktionalität verbessern und mechanische Herausforderungen effizienter bewältigen. Lassen Sie uns untersuchen, wie Federn Ihren Projekten einen Mehrwert verleihen können.

Bessere Stoßdämpfungsfähigkeit

Federn werden in vielen Produkten häufig verwendet, da sie die Wirkung von Stößen durch Absorption verringern können. Wenn das Produkt einen Stoß erfährt, wird die Feder zusammengedrückt und entspannt sich wieder, um den Stoß zu absorbieren. Daher sind Federn wichtige Teile von Fahrzeugen.

ENERGIESPEICHER

Die Spiralfeder kann als Alternative zu einer Batterie dienen. Sie erzeugt bei Krafteinwirkung Energie und gibt diese kontinuierlich ab, was sie zu einem wichtigen Bestandteil mechanischer Uhren macht.

Verbindungsmechanismus

Mithilfe von Federn können zwei Teile eines Produkts oder Teils miteinander verbunden werden. Sie werden beispielsweise in Garagen, Türen und Waagen eingesetzt, um zwei Teile funktionstüchtig zu verbinden.

Produktstabilität

Durch ihre stoßdämpfende Wirkung stellen Federn sicher, dass die Produkte, die sie verwenden, stabil sind. Produktstabilität kann auch eine Form der Reibungs- und Vibrationsreduzierung von Teilen sein.

Nachteile von Federn in der Technik

Trotz ihrer Nützlichkeit unterliegen Federn Einschränkungen, die sich auf die technischen Ergebnisse auswirken können.

Größen- und Gewichtsbeschränkungen

Um hohe Belastungen aushalten zu können, müssen Federn unter Umständen größer und schwerer sein. Dies stellt bei platzbeschränkten oder gewichtssensiblen Anwendungen eine Herausforderung dar, verkompliziert die Konstruktion und beeinträchtigt möglicherweise die Systemleistung.

Komplexe Designanforderungen

Das Entwerfen von Federn zur Erfüllung bestimmter Kraft- und Verformungskriterien kann eine komplexe Angelegenheit sein und erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Materialeigenschaften, der Platzbeschränkungen und der gewünschten Leistung, was oft zu komplizierten und anspruchsvollen Designprozessen führt.

Sie verlieren mit der Zeit ihre Wirkung

Durch die gleichzeitige Kompression und Entspannung verlieren Federn mit der Zeit ihre Wirkung. Dies hängt vom verwendeten Material ab. Letztendlich wird es dem Hookeschen Gesetz nicht mehr genügen, das heißt, es kehrt bei Verformung nicht in seine ursprüngliche Form zurück.

Schlussfolgerung

Federn sind für Produkte, die Bewegung ausgesetzt sind, unverzichtbar. Moderne Versionen unterscheiden sich in ihren Merkmalen und Eigenschaften je nach Material, Design und Herstellungsverfahren. Bei der Auswahl einer Feder für Ihr Produkt ist es wichtig, diese Faktoren sorgfältig abzuwägen.

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