Der ultimative Leitfaden zu mechanischen Federn: Typen, Funktionen und Anwendungen

Federn verschiedener Typen sind gängige Materialien, die in Anwendungen unseres täglichen Lebens zu sehen sind. Es ist ein elastisches Objekt, das mechanische Energie speichert. Es gibt verschiedene Arten, Designs und sie werden für diverse Zwecke verwendet. Der Begriff bezieht sich oft auf Schraubenfedern.

Konventionelle Federn üben aus Ruhelage eine entgegenwirkende Kraft aus, wenn sie komprimiert oder gedehnt werden. Dies geschieht ohne Steifigkeitsvariabilität. Es besteht eine Proportionalität zu ihrer Längenänderung.

Die Federrate oder Federkonstante ist die Änderung der ausgeübten Kraft, geteilt durch die Änderung der Federauslenkung. Das bedeutet, der Gradient der Kraft-gegen-Auslenkung-Kurve. Die Kompressionsrate der Feder wird als Krafteinheit geteilt durch Distanz ausgedrückt, z. B. N/m oder lbf/in.

Das Inverse der Federrate ist die Nachgiebigkeit (Compliance). Das bedeutet, wenn eine Feder eine Rate von 10 N/mm hat, hat sie eine Nachgiebigkeit von 0,1 mm/N. Die Steifigkeit oder Rate von Federn in Parallelschaltung ist additiv. Die Nachgiebigkeit von Federn ist in Reihenschaltung.

Federmaterialien

Federn werden aus verschiedenen elastischen Materialien hergestellt. Das gängigste ist Federstahl. Größere Federn werden aus geglühtem Stahl hergestellt, der nach der Fertigung gehärtet wird. Kleinere und dünnere werden aus vorgehärtetem Draht gewickelt.

Nichteisenmetalle wie Phosphorbronze und Titan werden ebenfalls verwendet. Sie bieten gute Korrosionsbeständigkeit und sind nützlich für Teile, die dies erfordern. Berylliumkupfer wird auch für die Federherstellung verwendet. Es bietet gute elektrische Leitfähigkeit für solche Anwendungen (es hat niedrigen elektrischen Widerstand).

Federanwendungen

Die Anwendungen von Federn sind sehr breit; tatsächlich verfügen fast alle Anwendungen über Federn. Nachfolgend sind die Anwendungen von Federn in verschiedenen Bereichen und Gegenständen aufgeführt:

• Automobil: In einem Fahrzeug werden verschiedene Federtypen mit guten mechanischen Eigenschaften verwendet. Federungsteile wie Getriebe, Kupplung etc. finden gute Verwendung von Blattfedern.
• Schlossmechanismen: Sie unterstützen die Bewegung der Schlossbauteile.

Weitere Anwendungen von Federn umfassen:

Uhren, Schmuck, Kugelschreiber, Federkernmatratzen, Federschuhe, Slinky, Spielzeug, Federhall, Airsoft-Waffen, Schusswaffen etc.

Verschiedene Arten von Federn:

Verschiedene Federtypen werden klassifiziert abhängig von:

• Ihrer Form
• Wie die Lastkraft auf sie angewendet wird

Federtypen basierend auf Form

Zerspanungsfeder (Machined Spring): Statt Wickelprozess wird sie auf Dreh- und/oder Fräsmaschinen hergestellt. Ein Stabmaterial wird zerspant und kann für verschiedene Lastfälle ausgelegt werden. Die Last kann Druck/Zug, Torsion etc. umfassen.

Flachfeder (Flat Spring): Besteht aus Flachfederstahl.

Schlangenfeder (Serpentine Spring): In Zickzack-Form aus dickem Draht.

Ringfeder (Garter Spring): Diese gewickelte Stahlfeder ist an jedem Ende verbunden, um eine kreisförmige Form zu schaffen.

Basierend auf der Art der Lastanwendung:

Zugfeder (Tension/Extension Spring): Dieser Federtyp arbeitet mit Zuglast. Er dehnt sich, wenn Last angewendet wird.

Druckfeder (Compression Spring): Sie arbeitet mit Drucklast. Das heißt, sie wird kürzer, wenn Last angewendet wird.

Torsionsfeder (Torsion Spring): Die Torsionsfeder ist ein Drehmoment oder Verdrehkraft. Das Ende der Feder dreht sich um einen Winkel, wenn Last angewendet wird.

Konstantfeder (Constant Spring): Die getragene Last bleibt während des Auslenkzyklus gleich.

Variable Feder (Variable Spring): Der Widerstand der Spule gegen die Last ändert sich während der Kompression.

Variable Steifigkeitsfeder (Variable Stiffness Spring): Der Widerstand der Spule gegen die Last kann dynamisch variiert werden.

Häufigste Federtypen sind:

Einklemmfeder (Cantilever Spring): Die Feder ist an einem Ende fixiert.

Schraubenfeder (Coil Spring) oder Schneckenfeder (Helical Spring): Diese Federtypen werden durch Wickeln eines Drahts um einen Zylinder hergestellt. Es gibt zwei Typen: