Eigenschaften und Aufgaben von Zugfedern
Zugfedern sind gewickelte Bauteile aus Runddraht, die unter Zug belastet werden. Sie nehmen Kräfte auf und bringen Bauteile nach einer Bewegung wieder in ihre Ausgangsposition zurück. In technischen Anwendungen sichern sie Funktionen, gleichen Kräfte aus und führen Bewegungen zuverlässig.
Funktionsweise einer Zugfeder
Wird eine Zugfeder belastet, verlängert sich die Feder und speichert mechanische Energie. Über den Drahtdurchmesser, den Federdurchmesser, die Länge und die Anzahl der Windungen lässt sich die benötigte Kraft präzise einstellen. Die Federenden geben die Kraft an die umliegenden Bauteile weiter und übertragen die Bewegung.
Unterstützung bei Konstruktion und Auslegung
Für viele Anwendungen ist die richtige Zugfeder entscheidend für die Funktion. Sekona unterstützt bei der Auswahl von Werkstoff, Abmessungen, Endenformen und Federkraft und prüft bestehende Federn auf mögliche Verbesserungen. Kunden erhalten Muster und Serien aus gleichbleibender Fertigung, damit die Funktion zuverlässig bewertet werden kann.
Einsatzgebiete in Industrie und Technik
Zugfedern werden in vielen technischen Bereichen eingesetzt. Sie kommen zum Beispiel in Geräten, Fahrzeugen, Maschinen und präzisen Baugruppen vor. Typische Aufgaben sind das Zurückführen von Bauteilen, das Halten von Komponenten unter Zugspannung und das Ausgleichen von Bewegungen bei wiederholter Belastung.
Weitere Informationen zu Zugfedern
Die innere Schubspannung ist unter anderem von dem Wickelverhältnis, der Fertigungsart, dem Korrekturfaktor β und der Zugfestigkeit des Drahtes abhängig. Sie entsteht dadurch, dass die Windungen mit einer gewissen Spannung aneinandergewickelt werden. Richtwerte lassen sich aus nachstehender Formel errechnen, wobei für as die unteren Werte der Zugfestigkeit des Federnwerkstoffes einzusetzen sind. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist die Fertigung auf dem Windeautomaten vorzuziehen.
Innere Schubspannung τ0 = β • σB
- β = Korrekturfaktor ist eine Zahl, die zur Berechnung der inneren Schubspannung
- τ0 benötigt wird und vom inneren Wickelverhältnis abhängig ist
- σB = Zugfähigkeit ist die auf den Anfangsquerschnitt einer Werkstoffprobe bezogene Höchstlast
Schubmodul G ist die zu jedem Werkstoff gehörende Kennzahl, welche gleich dem Verhältnis von der Schubspannung zum Schubwinkel im rein elastischen Gebiet ist (Dimension: kp/mm2).
Schubmodul G und Werkstoff für Druckfedern:
| G | Werkstoff | Erläuterung | Beanspruchung |
|---|---|---|---|
| kaltgezogene Federstähle nach DIN 17223 | Der Draht wird durch Ziehen auf hohe Festigkeit gebracht. | ||
| 8300 | Patentiert gezogener Draht | Unter Patentieren wird eine besondere Wärmebehandlung verstanden. Je nach Güte werden die Drähte als Federstahldraht A bis C bezeichnet. | niedrig (A) mittel (B) hoch (C) |
| 8300 | Vergüteter Federstahldraht | Der Draht wird nach dem Ziehen in Öl gehärtet und angelassen. | mittel |
| 8300 | Vergüteter Ventilfederdraht | Der Draht wird nach dem Ziehen in Öl gehärtet und angelassen. | hohe bzw. höchste Lastspielzahlen |
| 8000 | Warmgeformte Federstähle nach DIN 17221 | Der Draht wird durch Walzen oder Ziehen unter Wärmebehandlung hergestellt. Als Legierung werden Mn, Si, Cr und V zugesetzt. Die Federn werden nach dem Winden gehärtet und angelassen. | hohe Lastspielzahlen |
| 8000 | Kaltgezogene Federstähle weichgeglüht nach DIN 17222 | Der Draht wird kaltgezogen bei meist mehreren Zwischenglühungen. Als Legierungen werden nach DIN 17222 unter anderem Mn, Si, Cr und V zugesetzt. Die Federn werden nach dem Winden gehärtet und angelassen. | hohe Lastspielzahlen |
| 8000 | Warmfeste Federstähle nach DIN 17225 | Der Draht wird kaltgezogen oder warmgewalzt. Als Legierungen werden hauptsächlich Cr, Mo, Ni und V zugesetzt. Die Federn aus warmgewalztem Draht werden nach dem Winden gehärtet und angelassen. | niedrig |
| 7300 | Nichtrostende Federstähle nach DIN 17224 | Nichtrostende Stähle unter der Bezeichnung V 2 A, V 4 A, werden von etwa 1000° C je nach Drahtstärke, in Luft oder Wasser abgeschreckt und durch Ziehen auf Festigkeit gebracht. Die Drähte enthalten etwa 18% Cr und etwa 8% Ni. | mittel |
| 4700 | Kupfer-Berylliumdrähte, weich bis federweich | Kupfer-Beryllium-Drähte sind aushärtbar, d.h. sie erhalten erst nach der Aushärtung die erhöhte Festigkeit. Die Aushärtung wird durch den Zusatz von Be (bis 2%) bewirkt und nach der Formgebung der Feder vorgenommen. | mittel |
| 4200 | Bronzedrähte federhart nach DIN 17662 |
Der Draht wird durch Ziehen auf Festigkeit federhart. Verwendet werden Bronzedrähte unter der Bezeichnung Sn Bz 6 mit 94% Cu und 6% Sn. | niedrig |
| 3500 | Messingdrähte federhart nach DIN 17660 |
Der Draht wird durch Ziehen auf Festigkeit federhart. Verwendet werden Messingdrähte unter der Bezeichnung Ms 72 mit 72% Cu und 28% Zn. | niedrig |
Die zulässige Schubspannung ist von der Zugfestigkeit des Werkstoffes und dem gewählten Drahtdurchmesser abhängig. Allgemein sei bemerkt, dass bei Zugfedern für die zulässige Schubspannung sämtlicher Federnwerkstoffe τzul = 0,45 . σB kp/mm2 gewählt werden kann.
Überschreitet der errechnete Schubspannungswert die zulässige Schubspannung, so setzt sich die Feder, d.h. bei einer Feder mit Vorspannkraft wird die Vorspannkraft teilweise herausgezogen bzw. die Feder geht nach der Belastung nicht mehr auf die ursprüngliche Länge zurück. Die Schubspannung, die zur maximal verlangten Federkraft gehört, soll deshalb die zulässige Schubspannung nicht überschreiten.
- τzul = zulässige Schubspannung ist die bei Belastung der Feder im Drahtquerschnitt auftretende noch erlaubte Schubspannung. Sie ist von der Zugfestigkeit des Werkstoffes abhängig.
- σB = Zugfähigkeit ist die auf den Anfangsquerschnitt einer Werkstoffprobe bezogene Höchstlast
Zulässige Schubspannungswerte für schwingend belastete Zugfedern liegen nicht vor, da speziell die Art der Aufhängung einen wesentlichen Einfluß auf die Dauerhubfestigkeit hat. Besonders die Biegeeigenschwingungen führen an der Übergangsstelle zwischen federnden und nicht federnden Windungen häufig zum Bruch.
Zur Vermeidung dieser Eigenschwingungen können Spannhülsen in den Körper der Zugfeder eingebaut werden, deren Spanndruck berechenbar ist. Wie bei den schwingend belasteten Druckfedern ist auch hier auf eine gute Beschaffenheit der Werkstoffoberfläche zu achten, wobei die »ganze deutsche Öse« als die günstigste Ösenform verwendet wird.
Ein Strahlen der Oberfläche zur Erhöhung der Dauerhubfestigkeit, wie dies bei den Druckfedern möglich ist, lässt sich bei Zugfedern mit eng anliegenden Windungen nicht durchführen.
Die gefertigte Feder wird in ihren geometrischen und mechanischen Ausmaßen trotz der Präzision im Fertigungsprozeß gewissen Schwankungen unterworfen sein. Die in Anlehnung an DIN 2097 anschließend aufgeführten Hinweise und die zulässigen Abweichungen sind deshalb zu beachten.
Windungsrichtung
In der Regel werden Zugfedern rechts gewickelt, in Federnsätzen wechselnd rechts und links. Sollen Federn links gewickelt werden, ist dies zu vermerken.
Ösenformen
Bei Zugfedern werden die Kräfte von den Ösen übertragen. Für die Konstruktion werden zweckmäßigerweise
ganze deutsche Ösen gewählt. Bei Verwendung anderer Ösenformen ist darauf zu achten, dass der Biegeradius
mindestens gleich oder größer als der Drahtdurchmesser vorgesehen wird.
Durch die Scharfe Abbiegung – z. B. bei der englischen Öse – können Spannungsspitzen auftreten, die zu Brüchen führen. Bei den Federn mit angebogenen Ösen ist if = ig.
Bei Federn mit eingerollten Haken oder mit Einschraubstücken werden die nicht federnden Windungen zu den Gesamtwindungen gezählt. Dadurch wird if < ig.
- if = Zahl der federnden Windungen.
- ig = Zahl der gesamten Windungen. Windungen die durch das Einrollen oder Einschrauben von Endstücken nicht federn, sind zu den Gesamtwindungen zu zählen.
Gütegrad, zulässige Abweichungen, Toleranzen
Wie DIN 2097 festgelegt, gelten für die Federstähle nach DIN 17223 und 17224 (Patentiert gezogene, vergütete und nichtrostende Federstähle) die Gütegrade »grob«, »mittel« und »fein«. Wird kein Gütegrad vorgeschrieben, gilt der Gütegrad »mittel«.
Soweit es die Funktion der Feder erlaubt, kann der Gütegrad »grob« oder »mittel« gewählt werden. Die Forderung, die Feder nach dem Gütegrad »fein« herzustellen ist mit erhöhten Kosten verbunden und weitestgehend zu vermeiden.
Zulässige Abweichungen für den Drahtdurchmesser „d“:
| Werkstoff | Zulässige Abweichung nach DIN |
|---|---|
| Federstahldraht A, B, C | 2076 |
| Vergüteter Federstahldraht | 2076 |
| Vergüteter Ventilfederdraht | 2076 |
| warmgeformter Federstahldraht | 2077 |
| kaltgezogener Federstahldraht (weichgeglüht) | 2076 nach Federstahldraht B |
| warmfester Federstahl | 2076 nach Federstahldraht B |
| nichtrostender Federstahl | 2076 nach Federstahldraht C |
| Kuper-Berylliumdraht | 1757 |
| Bronzedraht | 1757 |
| Messingdraht | 1757 |
Werden keine besonderen Angaben gemacht, bleibt die Feder blank und kann infolge der vorangegangenen Wärmebehandlung eine Anlaßfarbe zeigen. Um die Feder während des Transportes vor Witterungseinflüssen zu schützen, ist das Einsprühen mit Spezial-Rostschutzöl zu empfehlen. Diese Maßnahme wird allgemein vor dem Versand durchgeführt.
Einen guten Oberflächenschutz bietet das Brünieren, das Phosphatieren oder das Überziehen der Oberfläche mit Metallschichten wie Cd, Cu, Cr, Ni, Sn, Zn, jedoch muß beachtet werden, daß hierbei nicht immer die Festigkeitseigenschaften erhalten bleiben.
Ösenformen nach DIN 2097
Bilder von Zugfedern
