Federn 101:Grundlagen und Arten von Federn verstehen

Federn sind mechanische Bauteile, die aufgebrachte Lasten elastisch aufnehmen. Mit „elastisch“ meinen wir, dass diese Federn in ihre ursprüngliche Position zurückkehren, sobald Sie die aufgebrachte Last entfernen. Dies macht sie nützlich in Anwendungen, die Energiespeicher- oder Stoßdämpfungsfähigkeiten erfordern.

Es gibt jedoch mehrere Arten von Federn, die alle unterschiedliche Designs und Eignungen für unterschiedliche Anwendungsanforderungen haben.

In diesem Artikel kehren wir zu den Grundlagen der Federn zurück. Wir werden zuerst das Funktionsprinzip von Federn besprechen und dann die verschiedenen Arten von Federn und ihre Anwendungen behandeln.

Hookesches Gesetz:Das grundlegende Funktionsprinzip von Federn verstehen

Das Hookesche Gesetz beschreibt, wie Federn auf aufgebrachte Lasten reagieren. Um dieses Gesetz zu verstehen, betrachten wir eine einfache Feder, die sich ausdehnt, wenn eine Last (Goldstab) darauf ausgeübt wird, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Abbildung 1:Federn gehorchen typischerweise dem Hookeschen Gesetz
Quelle:Wikimedia Commons

Hookesches Gesetz besagt, dass die Menge an Kraft (oder Last), die erforderlich ist, um diese Feder um eine bestimmte Distanz zu dehnen, linear mit dieser Distanz skaliert. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass die Kraft (oder Last) direkt proportional zur Verschiebung (oder Durchbiegung) der Feder ist. Wenn Sie also doppelt so viel Kraft auf die Feder ausüben, wird die Feder doppelt so weit gedehnt wie die ursprüngliche Verschiebung.

Mathematisch wird das Hookesche Gesetz dargestellt durch:

                                                                                                         F =-kX

Wo:
F =Kraft (oder Last), die auf die Feder
X ausgeübt wird =Verschiebung der Feder
k =Federkonstante (oder Federrate)

Das negative Vorzeichen in der Hookeschen Gleichung bedeutet, dass die Richtung der Rückstellkraft der Feder der Kraft entgegengesetzt ist, die die Verschiebung verursacht. So bewirkt beispielsweise das Herunterziehen der Feder (Verlängerung) eine vordergründige Rückstellkraft. Beachten Sie jedoch, dass das Hookesche Gesetz nur gilt, wenn die Elastizitätsgrenze des Federmaterials nicht überschritten wird. Jetzt behandeln wir sechs Arten von Federn, die Sie kennen sollten.

Häufige Federtypen und ihre Anwendungen

#1 Druckfedern

Druckfedern sind Schraubenfedern, die dafür ausgelegt sind, axialen Druckkräften zu widerstehen, was bedeutet, dass sie Kräften widerstehen, die dazu neigen, sie zu quetschen oder zu drücken.

Abbildung 2:Druckfeder

Betrachten Sie es so. Wenn Sie eine Kraft (oder Last) auf eine Druckfeder ausüben, komprimiert (oder verkürzt) die Kraft die Feder und bewirkt, dass sie Energie speichert. Wenn Sie diese aufgebrachte Last entfernen, setzt die Feder Energie frei und drückt gegen die Last zurück, während sie versucht, zu ihrer ursprünglichen Länge zurückzukehren.

Druckfedern kommen in verschiedenen Branchen vor, darunter in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik und in der Automobilindustrie. Sie finden diese Federn beispielsweise in Autostoßdämpfern, Ventilen und Kugelschreibern.

#2 Zugfedern

Zugfedern sind Schraubenfedern, die Zugkräften widerstehen, was bedeutet, dass sie Kräften widerstehen, die dazu neigen, sie auseinander zu ziehen. Sie haben normalerweise einen Haken an ihren Enden, der als Befestigungspunkt dient.

Abbildung 3:Zugfeder

Diese Federn sind ideal für Anwendungen, bei denen Komponenten dazu neigen, auseinander zu ziehen, z. B. Garagentore. Sie finden sie auch in Backenzangen, Zughebeln und Waagen.

#3 Torsionsfedern

Torsionsfedern sind spiralförmige Federn, die beim Verdrehen eine Kraft ausüben (oder einer Drehung und einem Drehmoment widerstehen). Im Gegensatz zu Druckfedern, die eine lineare Kraft zum Drücken benötigen, speichern (und geben) Torsionsfedern Rotationsenergie über das Drehmoment ㅡ, das das Rotationsäquivalent einer linearen Kraft ist.

Abbildung 4:Torsionsfeder

Diese Federn verfügen über zwei gerade Schenkel an den Enden, die als Befestigungspunkte dienen und es Ihnen ermöglichen, ein Drehmoment aufzubringen. Das Drehmoment bewirkt, dass sich die Feder um ihre Achse dreht und Rotationsenergie speichert. Torsionsfedern haben jedoch einen begrenzten Bewegungsbereich (bis zu 360°) und sind ideal für Türen und Scharniere, Gegengewichte und Hebelrückstellungen in Automobilanwendungen.

(Verwandter Beitrag: 3 wichtige Einblicke in die CNC-Bearbeitung in der Automobilindustrie)

#4 Blattfedern

Blattfedern bestehen aus mehreren flachen, leichten Metallplatten (ähnlicher Krümmung, aber unterschiedlicher Größe), die übereinander gestapelt sind. Diese Metallplatten werden normalerweise geklemmt oder verschraubt, was ihnen eine hohe Festigkeit und Flexibilität verleiht.

Abbildung 5:Blattfeder

Diese Vorteile machen sie ideal für Automobilanwendungen, bei denen eine große Abstützung zwischen den Rädern, Achsen und dem Fahrzeugchassis erforderlich ist. Darüber hinaus können sie Stöße und Vibrationen in schweren Nutzfahrzeugen wie Lieferwagen, Lastwagen und Bussen absorbieren.

Blattfedern haben jedoch ein komplexes Design und erfordern eine präzise Herstellungsgenauigkeit, damit sie sich lohnen. Die CNC-Bearbeitung gehört zu den wenigen Fertigungsverfahren, die üblicherweise verwendet werden, um diese Federn genau herzustellen.

(Verwandter Beitrag: Was ist CNC-Bearbeitung? Verstehen Sie diesen faszinierenden Herstellungsprozess)

#5 Garter Springs

Zugfedern sind im Grunde Schraubenfedern (Zug- oder Druckfedern), die an beiden Enden zu einer Kreisform verbunden sind. Dieses einzigartige Design ermöglicht Zugfedern, eine starke radiale Kraft bereitzustellen, die auf ihre Mitte gerichtet ist.

Abbildung 6:Garter Spring

Diese sind ideal für Anwendungen, bei denen der Druck aufrechterhalten werden muss, wie das Getriebesystem von Fahrzeugen und Hydraulikpumpendichtungen. Dies liegt daran, dass die starke Radialkraft einer Zugfeder eine Druckdichtung um Rohre herum erzeugt, die Lecks oder Verunreinigungen durch Staub und Chemikalien verhindert.

#6 Scheibenfeder

Tellerfedern sind konisch geformte Federscheiben, die typischerweise aus Stahl bestehen. Sie sind ideal für Anwendungen mit sehr hohen Belastungen auf engstem Raum, wie z. B. Fahrzeugbremssysteme und Druckregler.

Abbildung 7:Tellerfeder

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