Zugfedern

Die Zugfeder unterscheidet sich von der Druckfeder hauptsächlich in der Endenausbildung und in der Art der Belastung. Die gebräuchlichste Art, die Federkraft zu übertragen ist die Ausbildung der Enden als Ösen, wobei in manchen Fällen auch Einschraubstücke Verwendung finden.

Zugfedern sind Schraubenfedern aus meist runden Drähten. Häufig weist diese Federart keinen Zwischenraum zwischen den einzelnen Windungen auf. An den Enden der Feder sind je nach Art verschiedene Ösen angebracht. Besonders häufige Ösenformen sind die halbe deutsche Öse, ganze deutsche Öse, eingerollter Haken, die Hakenöse und die englische Öse. Die Federn besitzen eine meist lineare Kennlinie.

Die Belastung wirkt längs der Federachse. Zieht man die Enden einer Zugfeder auseinander, entsteht Belastung. Die gespeicherte Energie wird freigegeben, sobald sich die Feder wieder zusammenzieht und zurück in ihren Ursprungszustand versetzt wird. Zugfedern zeichnen sich durch ihre Knickfreiheit aus.

Anwendungsbereich von Zugfedern

Ursprünglich entwickelt als Gegengewicht für Fenster, finden Zugfedern heutzutage weitreichendere Verwendung, so beispielsweise im Automobilbau.

Zugfedern mit konstanter Spannkraft bieten weitreichende Anwendungsmöglichkeiten. Sie können auf Spulen oder Buchsen befestigt werden oder aber in einer Vertiefung oder Aussparung eingesetzt werden.

Diese Federnart kann zur Leistungserhöhung und ohne deutlich erhöhten Platzbedarf miteinander verbunden oder schichtweise angebracht werden. Es empfiehlt sichjedoch Zugfedern nur statischer Belastung auszusetzen, da dynamische Belastung an den Ösenenden und deren Biegungen zu zusätzlicher Spannung führen kann.

Bilder von Zugfedern

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 τ= β • σB

  • β = Korrekturfaktor ist eine Zahl, die zur Berechnung der inneren Schubspannung
  • τbenötigt 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:

GWerkstoffErläuterungBeanspruchung
kaltgezogene Federstähle nach DIN 17223Der Draht wird durch Ziehen auf hohe Festigkeit gebracht.
8300Patentiert gezogener DrahtUnter Patentieren wird eine besondere Wärmebehandlung verstanden. Je nach Güte werden die Drähte als Federstahldraht A bis C bezeichnet.niedrig (A)
mittel (B)
hoch (C)
8300Vergüteter FederstahldrahtDer Draht wird nach dem Ziehen in Öl gehärtet und angelassen.mittel
8300Vergüteter VentilfederdrahtDer Draht wird nach dem Ziehen in Öl gehärtet und angelassen.hohe bzw. höchste Lastspielzahlen
8000Warmgeformte 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 angelassen.hohe Lastspielzahlen
8000Kaltgezogene Federstähle weichgeglüht nach DIN 17222Der 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
8000Warmfeste Federstähle nach DIN 17225Der 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
7300Nichtrostende 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% Ni.mittel
4700Kupfer-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 vorgenommen.mittel
4200Bronzedrähte
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
3500Messingdrähte
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“:

WerkstoffZulässige Abweichung nach DIN
Federstahldraht A, B, C2076
Vergüteter Federstahldraht2076
Vergüteter Ventilfederdraht2076
warmgeformter Federstahldraht2077
kaltgezogener Federstahldraht (weichgeglüht)2076 nach Federstahldraht B
warmfester Federstahl2076 nach Federstahldraht B
nichtrostender Federstahl2076 nach Federstahldraht C
Kuper-Berylliumdraht1757
Bronzedraht1757
Messingdraht1757

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