Druckfedern für Industrie und Technik

Druckfedern aus präzise gewickeltem Runddraht für zuverlässige Kraftaufnahme und sichere Bewegungen in technischen Anwendungen.

Eigenschaften und Aufgaben von Druckfedern

Druckfedern sind gewickelte Bauteile aus Runddraht, die unter Belastung zusammengedrückt werden. Sie speichern mechanische Energie und geben diese kontrolliert wieder ab. In vielen Konstruktionen sorgen Druckfedern dafür, dass Bauteile geführt, Kräfte abgefangen oder Bewegungen gedämpft werden.

Funktionsweise einer Druckfeder

Beim Zusammendrücken verkürzt sich die Feder und die Windungen nähern sich an. Je nach Drahtdurchmesser, Federdurchmesser, Länge und Anzahl der Windungen lässt sich die gewünschte Kraft und der Federweg präzise einstellen. Auf diese Weise wird die Feder an die technische Aufgabe angepasst.

Unterstützung bei Konstruktion und Auslegung

Für viele Anwendungen ist eine passende Druckfeder entscheidend für die Funktion. Sekona unterstützt bei der Auswahl von Werkstoff, Abmessungen und Form und prüft bestehende Federn auf mögliche Verbesserungen. Kunden erhalten Muster und Serien aus gleichbleibender Fertigung, damit das Verhalten in der Anwendung zuverlässig bewertet werden kann.

Druckfeder

Einsatzgebiete in Industrie und Technik

Druckfedern werden in vielen Branchen eingesetzt. Sie kommen zum Beispiel in technischen Geräten, Fahrzeugen, Maschinen und medizintechnischen Produkten vor. Typische Aufgaben sind das Zurückführen von Schaltern und Tastern, das Führen von beweglichen Teilen, das Abstützen von Bauteilen und das Abfangen von Kräften bei wiederholter Belastung.

  • Automotive und Nutzfahrzeuge
  • Medizintechnik und Pharmazie
  • Maschinenbau und Messtechnik
  • Elektrotechnik, Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik

Weitere Informationen zu Druckfedern

Druckfedern, die bei Belastung ausknicken, werden als nicht knicksicher bezeichnet. Es ist notwendig, sie auf einem Dorn oder in einer Hülse zu führen, wobei zu beachten ist, dass sich der Windungsdurchmesser beim Zusammendrücken geringfügig vergrößert. Diese Federn sind durch die Reibung an den Führungen und auf Grund zusätzlicher Spannungen an den Knickpunkten einem schnelleren Verschleiß unterworfen.

Soll eine Feder wirtschaftlich arbeiten, ist sie möglichst knicksicher zu gestalten. Allgemein kann jede zylindrische Feder aus Runddraht als knicksicher bezeichnet werden, wenn die Enden fest eingespannt und der Schlankheitsgrad L0/Dm kleiner als 5,24 ist. Sind die Enden jedoch anders gelagert, dann ist die Feder knicksicher, wenn ihr Schlankheitsgrad L0/Dm kleiner als 2,62 ist.

(L0 steht hierbei für die Länge der unbelasteten Feder, Dm für den mittlere Windungsdurchmesser der Feder von Mitte zu Mitte Draht.)

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. Hierzu sei bemerkt, daß bei ruhend oder selten wechselnd belasteten Druckfedern für die zulässige Schubspannung sämtlicher kaltgezogener Federnwerkstoffe τzul = 0,5 • σB kp/mm2 gewählt werden kann. Aus Sicherheitsgründen sollen hierbei die unteren Werte der Zugfestigkeiten eingesetzt werden.

Überschreitet der errechnete Schubspannungswert die zulässige Schubspannung, so setzt sich die Feder, d. h. die Feder geht nach der Belastung nicht mehr auf ihre 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

In der Technik wird bei schwingender Belastung zwischen wechselnder und schwellender Belastung  unterschieden. Bei wechselnder Belastung wird die Feder druck- und zug belastet, während bei der  schwellenden Belastung die Feder entweder nur auf Druck oder nur auf Zug belastet wird.

Die Dauerhubfestigkeit τkH wird als die größte Hubspannung bezeichnet, die unendlich oft von einer Feder ohne Bruch und ohne unzulässige Verformung ertragen werden kann. Die Dauerhubfestigkeit erhalten wir als asymptotischen Wert der Wöhlerkurve bei gegen unendlich wachsender Lastspielzahl. In der Praxis wird eine endliche Grenzlastspielzahl der Wöhlerkurve angenommen, die bei Stahl 107 Lastspiele beträgt.

Für über den angegebenen Bereich von 1 bis 5 mm hinausgehenden größeren Drahtdurchmesser sind entsprechend der Werkstoffart bzw. der Zugfestigkeit niedrigere Dauerhubfestigkeitswerte anzunehmen.
Darüber hinaus ist festzustellen, dass vergüteter Ventilfederdraht gegenüber Federstahldraht C einen höheren Dauerhubfestigkeitswert aufweist. Infolge niedriger Zugfestigkeitswerte bei vergütetem Ventildraht kann jedoch die Unterspannung τkU nicht so groß gewählt werden wie bei Federstahldraht C.

Aus Erfahrung wird deshalb empfohlen, vorzugsweise vergüteten Ventilfederdraht zu verwenden. Soweit die erforderliche Unterspannung τkU nicht mehr in dem Bereich des vergüteten Ventilfederdrahtes liegt, muss allerdings auf Federstahldraht C zurückgegriffen werden.

Der Hinweis gestrahlt und nicht gestrahlt bezieht sich auf die Oberflächenbehandlung der Feder. Durch das Strahlen mit Drahtkorn wird die Dauerhubfestigkeit der Feder wesentlich verbessert. Das Strahlen ist auch unter der Bezeichnung Kugelstrahlen bekannt. Die Hubspannung τkh darf den Wert der Dauerhubfestigkeit τkH des gewählten Werkstoffes nicht überschreiten. Ebenso muß die Oberspannung τkO größer sein als die maximale Schubspannung τkn der endgespannten Feder.

  • τkU = Unterspannung is der kleinste Wert der Spannung je Lastspiel
  • τkh = Hubspannung ist diejenige Schubspannung, die dem Arbeitsweg zugeordnet ist
  • τkO = Oberspannung, auch Gesamtschubspannung genannt, ist der größte Wert der Spannung je Lastspiel
  • τkn = Schubspannungen ist die Spannung die bei Scherung oder Verdrehung im Querschnitt eines Werkstoffes auftritt

Die gefertigte Druckfeder ist in ihren geometrischen und mechanischen Ausmaßen trotz der Präzision im Fertigungsprozess gewissen Schwankungen unterworfen. Die angegebenen zulässigen Abweichungen sollen deshalb mit den nachfolgenden Hinweisen beachtet werden.

Windungsrichtung

In der Regel werden Druckfedern rechts gewickelt. Sollen Federn links gewickelt werden, ist dies in den Bestellangaben und in der Zeichnung zu vermerken.

Federenden

Die Ausbildung der Federenden wirkt sich wesentlich auf die Lebensdauer einer Feder aus. Die Federenden sollen rechtwinklig zur Federachse bis auf etwa d/4 abgeschliffen sein. Unter einer Drahtdicke von 0,5 mm werden die Federenden in den meisten Fällen nicht mehr geschliffen. Bei schwingend belasteten Federn kann es aus schwingungstechnischen Gründen vorteilhaft sein, die Windungszahl auf halbe Windungen enden zu
lassen wie z. B. 4½, 5½ usw.

Gütegrad, zulässige Abweichungen, Toleranzen

Wie in DIN 2095 festgelegt, gelten für Federn aus Federstahldraht nach DIN 17223 und 17224 (patentiertgezogener, vergüteter und nichtrostender Federstahl) 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 weitgehend zu vermeiden

d = Draht- und Stabdurchmesser

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

Die Beschaffenheit der Oberfläche hat einen wesentlichen Einfluss auf die Dauerhubfestigkeit. Dies zeigt sich besonders bei gestrahlten Federn, die gegenüber den nicht gestrahlten eine um etwa 30% höhere Dauerhubfestigkeit aufweisen.

Falls keine besonderen Angaben gemacht werden, bleibt die Feder blank und kann infolge der vorangehenden 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 bieten 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. Keine Festigkeitsänderungen treten beim Kaltverzinken auf.

Bilder von Druckfedern

Druckfeder 8
Druckfeder Glatt
Druckfeder 3
Druckfeder 5
Druckfeder 9
Druckfeder 6 1
Druckfeder 2 1
Druckfeder 7
Druckfeder 10
Druckfeder 11
Druckfeder 4
Druckfeder 12

Ihre Zeichnung oder Idee wird zur passenden Feder

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FAQ für Druckfedern

Druckfedern werden verwendet, um Kräfte aufzunehmen, Bauteile zu stabilisieren und Bewegungen in technischen Geräten und Maschinen kontrolliert zu führen.

Druckfedern bestehen je nach Anwendung aus verschiedenen Stählen, zum Beispiel aus rostbeständigem Stahl, Federstahl oder hitzebeständigem Material.

Der Fertigungsbereich reicht von feinen Federn für präzise Aufgaben bis zu stabilen Federn für höhere Kräfte. Je nach Aufgabe werden Drahtdurchmesser, Federdurchmesser und Länge angepasst.

Ja. Es sind Einzelmuster, kleinere Mengen und Serien möglich. Muster helfen dabei, die Feder im Gerät zu prüfen und danach für die Serie anzupassen.

Ja. Mit Zeichnung, Daten oder einem Muster kann eine Feder identisch reproduziert oder technisch verbessert werden, wenn sich die Anwendung geändert hat.