Metallfedern

Die Elastizität fester Stoffe wurde schon in frühen Zeiten der Menschheitsgeschichte vor allem für Werkzeuge und Hilfsmittel des Nahrungserwerbs (Fallen, Pfeil und Bogen) genutzt. Holz war hierfür der hauptsächlich eingesetzte Werkstoff. Später wurde über Jahrhunderte hinweg die Federntechnik in ihrer Entwicklung durch die Anwendung in der Waffentechnik bestimmt. Bekannt sind Federn in Wurfmaschinen, Drückermechanismen und Radschloßantrieben [12] [1.5][1.14][1.18][1.20].

Federn müssen aus einem geeigneten Werkstoff hergestellt und so ausgelegt und gestaltet werden, daß sie nach Wegnahme einer aufgebrachten Belastung wieder ihre ursprüngliche Gestalt bzw. Lage einnehmen. Die dafür verantwortliche Eigenschaft des Werkstoffes ist seine Elastizität. Sie wird durch den Elastizitätsmodul oder Gleitmodul als Verhältnis zwischen Werkstoffbeanspruchung (Spannung) und Verformung (Dehnung bzw. Schiebung) ausgedrückt (siehe Tafel 3.1) und sollte einen möglichst hohen Wert aufweisen.

Hauptsächliche Formen von Federn, in denen durch die Krafteinleitung Zug- bzw. Druckspannungen entstehen, sind Zugstab- und Ringfedern. Die Realisierung größerer Federwege erfordert bei Zugstabfedern einen großen Raumbedarf. Daher ist die Verwendung dieser Federart auf wenige Einsatzfälle beschränkt.

Federn werden zwar als Einzelfedern berechnet und gestaltet, aber stets im Verbund mit Bauteilen betrieben. Derartige Anordnungen mit Bauteilen stellen immer schwingungsfähige Systeme dar. Dieser Umstand sowie die Anforderungen an die Gestaltung der Koppelstellen mit den Bauteilen haben Auswirkungen auf den Federentwurf.

Heutige Erkenntnisse der Konstruktionsmethodik gehen davon aus, daß in technischen Systemen funktionelle, physikalische und gestalterische Zusammenhänge vorhanden sind. Diese Zusammenhänge erfordern ein konstruktives Vorgehen beim Lösen bestimmter Probleme in der Reihenfolge Funktion — Wirkprinzip — Gestalten [14] [6.3 8] [6.60]. Dabei erfolgt zunächst im Zuge einer Präzisierung der Aufgabenstellung die Klärung und Ermittlung von Forderungen und Gegebenheiten, in einer nächsten Phase das Ermitteln von Funktionen und Strukturen und in einer weiteren das Suchen, Auswählen und Bewerten von prinzipiellen Lösungen hinsichtlich der Zielstellung. Dieser Vorgang wiederholt sich auf den verschiedenen Konkretisierungsebenen des Konzipierens, Entwerfens und Ausarbeitens [7][14][6.38][6.69], Im folgenden soll speziell auf das Entwerfen von Baugruppen mit Federn eingegangen werden.

Alle in technischen Erzeugnissen für Konstruktionsteile verwendeten Werkstoffe, die ein elastisches Verhalten bei Krafteinwirkungen zeigen (Vorhandensein eines Elastizitätsmoduls) und somit dem Hookeschen Gesetz gehorchen, befähigen diese Bauteile, bei Anregungen Schwingungen auszuführen. Es werden periodische und nichtperiodische Schwingungen unterschieden. Bedeutsam sind erstere. Man versteht darunter Bewegungserscheinungen von Massen, die eine Pendelbewegung um ihre Null-Lage (statische Gleichgewichtslage) vollführen. Die Periodizität kommt dadurch zum Ausdruck, daß sich der Vorgang unter gleichen Bedingungen innerhalb eines Zeitabschnitts T = Δt = t ₂ – t ₁ wiederholt (Bild 7.1).

Nachdem in den vorangegangenen Kapiteln die Grundlagen für den Entwurf von Federn und Federanordnungen dargelegt sowie Beispiele für Federanwendungen in ausgewählten Industriebereichen und auch die im Zusammenhang mit dem Maschinen- und Baugruppenentwurf an Bedeutung gewinnende Schwingungsanalyse von zylindrischen Schraubenfedern behandelt worden sind, soll abschließend auf den rechnerunterstützten Federentwurf eingegangen werden. Dieser wird im Hinblick auf die in nahezu allen Industriebereichen feststellbare schnelle Zunahme der Nutzung der Rechentechnik für die Produktentwicklung zum unverzichtbaren Element beim Maschinen-, Geräte- und Anlagenentwurf. Ausgehend vom derzeitigen Stand sollen daher im folgenden verfügbare Progammsysteme vorgestellt und Probleme ihrer Anwendung anhand von Beispielen aufgezeigt werden.