Wie berechnet man die Federkraft einer Federscheibe?

Als erfahrener Lieferant von Federscheiben erhalte ich häufig Anfragen von Kunden zur Berechnung der Federkraft dieser wesentlichen Bauteile. Das Verständnis, wie die Federkraft berechnet wird, ist für Anwendungen, bei denen Federscheiben verwendet werden, um Spannung bereitzustellen, ein Lösen zu verhindern oder Stöße zu absorbieren, von entscheidender Bedeutung. In diesem Blogbeitrag gebe ich Einblicke in die Methoden zur Berechnung der Federscheibenkraft sowie relevante Überlegungen und praktische Auswirkungen.

Grundlagen von Federscheiben

Federscheiben sind so konstruiert, dass sie eine Federkraft ausüben, wenn sie zwischen zwei Oberflächen zusammengedrückt werden. Es gibt sie in verschiedenen Ausführungen, jede mit einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen. Zum Beispiel dieFederscheibe DIN127ist ein weit verbreiteter Typ, der für seine konische Form und Standardabmessungen bekannt ist. Diese Unterlegscheibe wird häufig in allgemeinen Maschinen- und Automobilanwendungen verwendet, um zu verhindern, dass sich Muttern und Schrauben aufgrund von Vibrationen lösen.

Ein anderer Typ, derInnenverzahnte Starlock-Unterlegscheiben, verfügt über Zähne, die in die Passflächen eingreifen und so hervorragende Verriegelungseigenschaften bieten. Diese Unterlegscheiben werden häufig in elektrischen Geräten und Präzisionsmaschinen verwendet, bei denen eine sichere Befestigung unerlässlich ist.

Federringe aus Edelstahlwerden wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit bevorzugt und eignen sich daher für den Außenbereich und Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit. Sie werden im Baugewerbe, bei Schiffsanwendungen und anderen Umgebungen eingesetzt, in denen Feuchtigkeit ein Problem darstellt.

Das Konzept der Federkraft

Die Federkraft ist die Widerstandskraft, die eine Feder ausübt, wenn sie aus ihrem ursprünglichen Zustand verformt wird. Bei Federscheiben entsteht diese Kraft, wenn die Unterlegscheibe zwischen der Mutter und der Oberfläche, an der sie befestigt wird, zusammengedrückt wird. Nach dem Hookeschen Gesetz ist die Federkraft (F) proportional zur Verschiebung (x) aus ihrer Ausgangsposition und kann wie folgt ausgedrückt werden:

$F = kx$

Wo:

• F ist die Federkraft (in Newton, N)
• k ist die Federkonstante (in Newton pro Millimeter, N/mm)
• x ist die Auslenkung oder Kompression der Feder (in Millimetern, mm)

Bestimmung der Federkonstante (k)

Die Federkonstante ist ein Maß für die Steifigkeit der Federscheibe. Dies hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem Material der Unterlegscheibe, ihrer Geometrie (z. B. Dicke, Durchmesser und Anzahl der Windungen oder Spulen) und der Art des Querschnitts.

Theoretische Berechnung

Für einfache Federscheibengeometrien kann die Federkonstante mithilfe theoretischer Formeln berechnet werden. Für eine Schraubenfederscheibe kann die Federkonstante beispielsweise mit der folgenden Formel geschätzt werden:

$k=\frac{Gd^{4}}{8nD^{3}}$

Wo:

• G ist der Schermodul des Materials (in Pascal, Pa). Für gewöhnlichen Federstahl beträgt G ungefähr $79\times10^{9}$ Pa.
• d ist der Drahtdurchmesser der Feder (in Metern, m)
• n ist die Anzahl der aktiven Spulen
• D ist der mittlere Spulendurchmesser (in Metern, m)

Bei nicht spiralförmigen Federscheiben wie konischen Scheiben ist die Berechnung jedoch komplexer und erfordert häufig numerische Methoden oder empirische Daten.

Experimentelle Bestimmung

In der Praxis lässt sich die Federkonstante einer Federscheibe am genauesten durch experimentelle Tests bestimmen. Mit einer Universalprüfmaschine kann eine bekannte Belastung auf die Federscheibe ausgeübt und die entsprechende Durchbiegung gemessen werden. Durch Auftragen der Last-Durchbiegungs-Kurve kann die Federkonstante als Steigung des linearen Teils der Kurve berechnet werden.

Berechnung der Federkraft in praktischen Anwendungen

Sobald die Federkonstante (k) bestimmt ist, ist die Berechnung der Federkraft einfach. Sie müssen lediglich die Auslenkung (x) der Federscheibe messen oder abschätzen.

Schritt 1: Messen Sie die freie Höhe und die ausgelenkte Höhe

Die freie Höhe ($h_{0}$) der Federscheibe ist ihre Höhe im unbelasteten Zustand. Die durchgebogene Höhe ($h_{1}$) ist die Höhe der Unterlegscheibe, wenn sie unter einer Last zusammengedrückt wird. Die Durchbiegung (x) wird dann berechnet als:

$x = h_{0}-h_{1}$

Schritt 2: Berechnen Sie die Federkraft

Ersetzen Sie mithilfe der Formel $F = kx$ die Werte der Federkonstante (k) und der Auslenkung (x), um die Federkraft zu berechnen.

Überlegungen und Einschränkungen

Materialeigenschaften

Das Material der Federscheibe kann deren Federkraft maßgeblich beeinflussen. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Elastizitätsmodule und Streckgrenzen. Edelstahl hat beispielsweise im Vergleich zu Kohlenstofffederstahl einen geringeren Elastizitätsmodul, was bei gleicher Geometrie zu einer weicheren Feder mit geringerer Federkraft führt.

Fertigungstoleranzen

Herstellungsprozesse können zu Abweichungen in den Abmessungen der Federscheibe führen. Diese Toleranzen können sich auf die Federkonstante und damit auf die berechnete Federkraft auswirken. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Unterlegscheiben den angegebenen Standards entsprechen, um eine gleichbleibende Leistung zu erzielen.

Ermüdung und Verschleiß

Mit der Zeit kann es durch wiederholtes Be- und Entladen der Federscheibe zu Ermüdung und Verschleiß kommen, was zu einer Verringerung der Federkraft führt. Bei Anwendungen, bei denen die Unterlegscheibe dynamischen Belastungen ausgesetzt ist, beispielsweise in Motoren oder vibrierenden Maschinen, ist es wichtig, die Ermüdungslebensdauer der Unterlegscheibe zu berücksichtigen.

Anwendungen aus der Praxis

Betrachten wir ein praktisches Beispiel für die Verwendung einer Federscheibe in einem Automotor. Die Zylinderkopfschrauben werden mit einem bestimmten Drehmoment angezogen, wodurch die Federringe zwischen den Schraubenköpfen und dem Zylinderkopf zusammengedrückt werden. Durch die Berechnung der Federkraft können Ingenieure sicherstellen, dass die Schrauben die erforderliche Klemmkraft beibehalten, um Undichtigkeiten zu verhindern und eine ordnungsgemäße Motorleistung sicherzustellen.

In einem anderen Beispiel, in Schalttafelbaugruppen,Innenverzahnte Starlock-Unterlegscheibendienen der Sicherung elektrischer Verbindungen. Die Berechnung der Federkraft hilft dabei, die richtige Größe und Art der Unterlegscheiben zu bestimmen, um sicherzustellen, dass die Verbindungen auch bei Vibrationen fest und zuverlässig bleiben.

Kontakt für Beschaffung

Wenn Sie hochwertige Federscheiben für Ihre Anwendungen benötigen, bin ich für Sie da. Ob Sie es benötigenFederscheibe DIN127,Innenverzahnte Starlock-Unterlegscheiben, oderFederringe aus EdelstahlIch kann Ihnen eine große Auswahl an Möglichkeiten bieten. Nehmen Sie gerne Kontakt zu mir auf, um Ihre spezifischen Anforderungen zu besprechen und eine Beschaffungsverhandlung zu starten.

Referenzen

• Budynas, RG, & Nisbett, JK (2011). Shigleys Maschinenbaudesign. McGraw - Hill.
• Juvinall, RC, & Marshek, KM (2011). Grundlagen des Maschinenkomponentendesigns. Wiley.
• Institut für Federhersteller. (2016). Konstruktionshandbuch für Tellerfedern.