Schenkelfedern

Die Schenkelfeder wird in ihrer gebräuchlichsten Form aus Runddraht hergestellt. Die Federkräfte werden durch die Schenkel übertragen, wobei meistens ein Schenkel fest eingespannt und die Feder auf einem Dorn oder in einer Hülse geführt ist. Schenkelfedern finden hauptsächlich im Vorrichtungs- und Apparatebau Verwendung.

Schenkelfedern sind Schraubenfedern aus meist runden Drähten und werden auf Torsion (Verdrehung) beansprucht. Sie besitzen eine lineare Drehmomentkennlinie. Drehfedern sind räumlich gewundene Biegefedern, das Material wird vorwiegend auf Biegung beansprucht. Die Krafteinleitung erfolgt über die Schenkel am Anfang und Ende der Feder, die in vielfältiger Weise angepasst werden kann.

Anwendungsbereich von Schenkelfedern

Schenkelfedern decken durch ihre Form unterschiedliche Anwendungsbereiche ab, beispielsweise als Scharnierfedern oder Rückstellfedern.

Bilder von Schenkelfedern

Weitere Informationen zu Schenkelfedern

Elastizitätsmodul E ist die zu jedem Werkstoff gehörende Kennzahl, welche gleich dem Verhältnis von der Zug- oder Druckspannung zur Dehnung im rein elastischen Bereich ist (Dimension: kp/mm2).

Elastizitätsmodul E und Werkstoff für Schenkelfedern:

EWerkstoffErläuterungBeanspruchung
kaltgezogene Federstähle nach DIN 17223Der Draht wird durch Ziehen auf hohe Festigkeit gebracht
21500Patentiert gezogener DrahtUnter Patentieren wird eine besondere Wärmebehandlung verstanden. Je nach Güte werden die Drähte als Federstahldraht A bis C bezeichnetniedrig (A)
mittel (B)
hoch (C)
21500Vergüteter Federstahldraht bzw. vergüteter VentilfederdrahtDer Draht wird nach dem Ziehen in Öl gehärtet und angelassenhohe bzw. höchste Lastspielzahlen
21000Warmgeformte Federstähle nach DIN 17221Der 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 angelassenhohe Lastspielzahlen
19000Nichtrostende Federstähle nach DIN 17224Nichtrostende 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% Nimittel
12200Kupfer-Berylliumdrähte, weich bis federweichKupfer-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 vorgenommenmittel
10900Bronzedrähte federhart nach DIN 17662Der Draht wird durch Ziehen auf Festigkeit federhart. Verwendet werden Bronzedrähte unter der Bezeichnung Sn Bz 6 mit 94% Cu und 6% Snniedrig
9100Messingdrähte federhart nach DIN 17660Der Draht wird durch Ziehen auf Festigkeit federhart. Verwendet werden Messingdrähte unter der Bezeichnung Ms 72 mit 72% Cu und 28% Znniedrig

Die zulässige Biegespannung ist von der Zugfestigkeit des Werkstoffes und dem gewählten Drahtdurchmesser abhängig. Wird eine Feder im öffnenden Sinne belastet, sind die zulässigen Biegespannungen um 20% niedriger anzunehmen. Hierzu sei bemerkt, dass bei ruhend oder selten belasteten Schenkelfedern für die zulässige Biegespannung sämtlicher kaltgezogener Federnwerkstoffe für die zulässige Biegespannung sämtlicher kaltgezogener Federnwerkstoffe σzul = 0,75 . σkp/mm2 gewählt werden kann.

Überschreitet der errechnete Biegespannungswert die zulässige Biegespannung, so »setzt« sich die Feder, d.h., die Schenkel gehen nach der Belastung nicht mehr in die Ausgangsstellung zurück. Die Biegespannung, die zur maximal verlangten Federkraft gehört, soll deshalb die zulässige Biegespannung nicht überschreiten.

σzul = zulässige Biegespannung ist die bei Belastung der Feder im Drahtquerschnitt auftretende noch erlaubte Zugspannung. Sie ist von der Zugfestigkeit des Werkstoffes abhängig.

In der Technik wird bei schwingender Belastung zwischen wechselnder und schwellender Belastung unterschieden. Bei wechselnder Belastung wird die Feder in öffnendem und schließendem Sinne belastet, während bei schwellender Belastung eine gleiche Verformungsrichtung vorliegt, d.h. die Feder entweder nur im öffnenden oder nur im schließenden Sinne belastet wird. Die Dauerhubfestigkeit σkH wird als größte Hubspannung  bezeichnet, die unendlich oft von einer Feder ohne Bruch oder ohne unzulässige Verformung ertragen werden kann. Die Dauerhubfestigkeit erhält man als asymptotischen Wert der Wöhlerkurve bei gegen unendlich wachsender Lastspielzahl. In der Praxis wird eine endliche Grenzlastspielzahl der Wöhlerkurve entnommen, die bei Stahl 107 Lastspiele beträgt.

Der Hinweis »nicht gestrahlt« bezieht sich auf die Oberflächenbehandlung der Feder. Schenkelfedern mit Steigung können auch mit Drahtkorn gestrahlt werden, wodurch sich die Dauerhubfestigkeit um etwa 30% erhöht. Die Hubspannung σkh darf den Wert der Dauerhubfestigkeit σkH des gewählten Werkstoffes nicht überschreiten. Ebenso muß die Oberspannung σkO größer sein als die maximale Schubspannung σkn der endgespannten Feder.

σkH = Dauerhubfestigkeit ist die größte Hubspannung, die bei schwellender Belastung unendlich oft ohne Bruch und ohne unzulässige Verformung ertragen wird
σkh = Hubspannung ist diejenige Biegespannung, die dem Arbeitswinkel (Hub) zugeordnet ist
σkO = Oberspannung, auch Gesamtbiegespannung genannt
σkn = Biegespannungen bei Berücksichtigung des Spannungsbeiwertes k

Die gefertigte Feder ist in ihren geometrischen und mechanischen Ausmaßen trotz der Präzision im Fertigungsprozess gewissen Schwankungen unterworfen. Die in Anlehnung an DIN 2095 und DIN 2097 angegebenen zulässigen Abweichungen sollen deshalb mit den folgenden Hinweisen beachtet werden.

Windungsrichtung und Steigung

In der Regel werden Schenkelfedern rechts gewickelt, im Schenkelfedersatz abwechselnd rechts und links.

Schenkelformen

Bei Schenkelfedern werden die Kräfte durch die Schenkel übertragen. Je nach Einspannung wird die Schenkelform am günstigsten als gerader Schenkel konstruiert. Sind Abbiegungen in der Ausführung der Schenkel notwendig, so sollten die Biegeradien mindestens gleich dem Drahtdurchmesser sein.

Gütegrad, zulässige Abweichungen, Toleranzen

Wie in DIN 2095 und DIN 2097 festgelegt, gelten für Federstähle nach DIN 17221, DIN 17223 und DIN 17224 (patentiert gezogene, vergütete und nichtrostende Federstähle) die Gütegrade »grob«, »mittel« und »fein«. 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 weitgehend zu vermeiden. In Sonderfällen ist es zweckmäßig, jedes Maß nach den gegebenen Gütegraden individuell zu tolerieren.

Zulässige Abweichungen für den Drahtdurchmesser „d“:

WerkstoffZulässige Abweichung nach DIN
Federstahldraht A, B, C2076
nichtrostender Federstahl2076 nach Federstahldraht C
Kuper-Berylliumdraht1757
Bronzedraht1757
Messingdraht1757

Falls keine besonderen Angaben über die Oberfläche gemacht werden, bleibt die Feder blank und kann infolge der vorangegangenen Wärmebehandlung eine Anlaßfarbe zeigen. Um die Feder während des Transportes vor Willerungseinflüssen zu schützen, ist das Einsprühen mit Spezial-Rostschutzöl zu empfehlen.

Einen guten Oberflächenschutz bietet das Brünieren, das Phosphatieren oder das Überziehen der Oberfläche mit Metallschichten wir Cd, Cu, Cr, Ni, Sn, Zn. Jedoch sind solche Überzüge zu empfehlen, die die Festigkeitseigenschaften der Feder nicht ändern.