Druckfeder
Die Druckfeder (auch Schraubendruckfeder oder gewundene Torsionsfeder) gehört zu der Gruppe der Schraubenfedern. Druckfedern sind in der Regel aus Rund- oder Profildraht hergestellt und werden wendelförmig gewunden bzw. gewickelt. Der Federdraht wird bei Einwirkung einer äußeren Belastung auf Torsion beansprucht und es wirkt eine entgegengerichtete Kraft. Die Windungssteigung von Druckfedern ist in der Regel gleichbleibend.
Funktion
Druckfedern basieren auf dem Wirkprinzip der Speicherung mechanischer Arbeit in Form von potentieller Energie. Über die Federgeometrie und Werkstoffauswahl kann die Federkonstante verändert werden. Die Druckfeder wird durch Zusammendrücken der Enden belastet, wodurch eine Kraft in die Feder eingeleitet wird. Dabei spricht man von mechanischer Arbeit. Diese wird in der Feder in Form von potentieller Energie so lange gespeichert, bis keine entsprechende Gegenkraft mehr auf die Feder einwirkt. Anschließend wird die gespeicherte Energie beim Entspannen der Feder (abzüglich geringer Verluste) wieder freigegeben.
Gestaltung einer Druckfeder
Bauformen:
- Zylindrisch (häufigste Anwendung): Zylindrische Druckfedern weisen über die gesamte Federlänge einen konstanten Windungsduchmesser auf.
- Bogenförmig: Gebogene Druckfeder (Bogenfedern), welche einen konstanten Windungsduchmesser aufweist. Durch die bogenförmige Bauform ist die Bogenfeder in der Lage, ein Moment um eine Drehachse zu übertragen.
- Kegelförmig: Bei konischen Druckfedern verkleinert sich der Windungsduchmesser von einem Federende zum anderen; die Federkennlinie (Kraft über Weg) ist progressiv ansteigend.
- Tonnenförmig: Doppelkonische Druckfedern bezeichnet man auch als Tonnenfeder; sie haben an den Enden einen kleineren Windungsduchmesser als in der Mitte. Eine Untergruppe der tonnenförmigen Feder ist die Miniblockfeder mit sich ändernden Windungsabstand und Drahtdurchmesser.
- Taillenförmig: Taillenfedern haben an den Enden einen größeren Windungsduchmesser als in der Mitte.
Endwindungen:
- Angelegte Endwindungen: Um die Krafteinleitung in den Federkörper möglichst axial sicherzustellen, können die beiden gegenüberliegenden Endwindungen (oder auch mehrere Windungen) so ausgelegt werden, dass diese sich unmittelbar berühren.
- Geschliffene Endwindungen: Zur Auflageverbesserung können die Endwindungen geschliffen werden.
Hülse und Dorn:
Um das Ausknicken von Druckfedern bei einwirkenden Kräften zu verhindern, können diese von Hülsen umschlossen oder durch einen innenliegenden Dorn gestützt werden.
Zylindrische Feder mit angelegten Endwindungen
Konische Federn (Kegelfedern); bei der linken ist eine geschliffene Endwindung zu erkennen.
Tonnenfeder (unter dem Sattel)
Bogenfedern und Bogenfedersysteme (Set aus Innen- und Außenbogenfeder)
Anwendung
Druckfedern werden im Maschinenbau und vielen anderen Bereichen angewandt, z. B.:
- Elektrogeräte (z. B. Rückstellfeder in Schaltern)
- Fahrzeugbau (z. B. in Fahrwerken)
- Bürobedarf (z. B. in Kugelschreibern)
- Baubeschlag (z. B. in Türschließern)
Materialien und deren Normung
Geeignete und häufig genutzte Werkstoffe sind Federstähle:
- EN 10270–1 Patentiert-gezogener, unlegierter Federstahldraht
- EN 10270-2 Ölschlussvergüteter Federstahldraht
- EN 10270-3 Nicht-rostender Federstahldraht
Kenngrößen
Eine Auswahl von Kenngrößen:
- d Drahtdurchmesser in mm
- D Mittlerer Windungsdurchmesser in mm
- L0 Länge der unbelasteten Feder in mm
- Lc Blocklänge in mm; das ist die Länge der Feder bei unmittelbar aneinander liegenden Windungen
- n Anzahl der federnden Windungen
- nt Gesamtzahl der Windungen
- R Federrate in N/mm