Druckfedern

In der Technik kann die Druckfeder aus Runddraht als die gebräuchlichste Federnart bezeichnet werden. Bei der Wahl der verschiedenen Formen, die zur Verfügung stehen, wird die zylindrische Druckfeder am meisten verwendet.

Druckfedern sind Schraubenfedern aus meist runden Drähten mit meist gleichem Durchmesser. Der Windungsabstand ist längs der Federachse konstant, rechte und linke Entwindungen sind angelegt. Die Windungen sind in einer Weise gewickelt, dass längs der Federachse eine Kompression ausgeübt wird. Druckfedern besitzen eine meist lineare Kennlinie.

Die Hauptbeanspruchungsrichtung ist die Federachse. Der Hauptanteil der produzierten Druckfedern zeichnet sich durch den gleichen Außendurchmesser der gesamten Länge nach aus. Andere Formen können konkav, konvex oder konisch sein.

Um die Federeigenschaften zu bewerten, dient die Federkennlinie als Hauptmerkmal zur Beurteilung. Diese Federkennlinie stellt die Kraft F in Abhängigkeit vom Federweg s dar. Bei zylindrischen Druckfedern besteht ein weitgehend linearer Zusammenhang. Jedoch ist es ebenso möglich, durch eine Veränderung des Drahtdurchmessers, des Windungsdurchmessers oder des Windungsabstands progressive Kennlinien zu erzeugen.

Wird die Belastung der Feder überschritten, tritt eine bleibende Verformung, das sogenannte Setzen, ein. Um eine höhere Werkstoffbelastung und -auslastung zu ermöglichen, wird bereits bei der Produktion die Druckfeder um den einberechneten Setzbetrag länger gewunden und nachfolgend auf Blocklänge zusammengepresst.

Anwendungsbereich von Druckfedern

Druckfedern werden vielfältig verwendet und eingesetzt. So beispielsweise innerhalb

  • der Automobilbranche zum Werkzeug- und Formbau,
  • in der Elektromedizin,
  • in der Telefonindustrie,
  • ebenso wie in Branchen rund um die Optik und Messtechnik.

In den häufigsten Anwendungsbereichen werden Druckfedern auf einen Bolzen aufgesetzt oder werden in Bohrungen eingesetzt.

Bilder von Druckfedern

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.