Federnberechnung

Um technische Federn, die in nahezu allen technischen Anwendungen zu finden sind, mit nachhaltiger Funktionalität herzustellen, muss sehr genau gerechnet werden. Und die Federnberechnung ist nicht ganz ohne. Angefangen von der Federkennlinie über die Federkonstante bis zur Federarbeit ist eine Menge mathematisches und physikalisches Verständnis nötig. Je individueller und zweckspezifischer Bauform und Geometrie der technischen Feder ausfallen, desto höher ist auch der Aufwand an der Berechnung der belastbaren Segmente des Produkts. Merke: Ohne Köpfchen kein Optimum und hohe Qualität bei technischen Federn.

Die mechanische Arbeit, die man als Spannarbeit bezeichnet, besteht aus der potenziellen Energie, die eine technische Feder nach dem Auseinanderziehen beziehungsweise Zusammendrücken erzeugt und speichert. Es geht um die Einwirkung einer äußeren Kraft, sprich um die Arbeit, die bei der Verformung einer Feder als Federenergie gespeichert und beim Entspannen der Feder wieder abgegeben wird.

Aus dem Physikunterricht kennen wir die Formel „Arbeit = Kraft x Weg. Da eine technische Feder in der Regel in eine Richtung gezogen wird, könnte man annehmen, dass auch die oben genannte Spannarbeit mittels dieser Grundformel berechnet wird. Das ist nicht der Fall, weil ein Element der Gleichung nicht konstant ist: Die Federkonstante. Diese Größe ist, obwohl der Name auf das Gegenteil schließen lässt, relativ. Die Federkonstante errechnet sich aus der Kraft, die zur Ausdehnung der Feder erforderlich ist, und hierbei kommt das Hookesche Gesetz zur Anwendung. Es besagt, dass die zum Spannen einer Feder nötige Kraft proportional zur gespannten Strecke steigt. Damit ist auch die Kraft, die hier zu berechnen ist, nicht konstant.

Um das Verhältnis von Federkraft und Federweg geht es bei der Berechnung der Federkennlinie. Sie klärt die Frage, wie die technische Feder sich bei der Arbeit verhält. Von der Bauform und Geometrie der Feder hängt ab, ob es sich um eine lineare, progressive, degressive oder kombinierte Federkennlinie handelt. Wichtig wird sie in Zusammenhang mit der Federkonstante (s.o.), die auch als Federhärte oder Federsteifigkeit bezeichnet wird.

Die Federkennlinie stellt nämlich den Verlauf einer Federkonstante dar. So wird physikalisch geklärt, wie sich die aufzuwendende Kraft zur Belastung der Feder verhält. Nimmt die Kraft gleichmäßig zu, ist die Federkonstante linear. Progressive ist sie, wenn die Kraft überproportional zunimmt, degressiv, wenn diese unterproportional abnimmt.

Unter den vielen guten Ideen, die sich als Problemlöser in Form von Halterungen bewährt haben, stechen einige durch herausragende wirtschaftliche Vorteile hervor. Eine „gefederte Halterung“ spart bei ihrer „smarten“ Umsetzung nicht nur die geschraubte Montage der eigentlichen Halterung, sondern darüber hinaus auch des zu haltenden Elements ein. Die entsprechenden Komponenten werden einfach miteinander „verclipst“ und macht nicht nur die Kosten, sondern auch die Mühe einer zumeist komplizierten Montage mittels Schrauben überflüssig.

Ein Artikel dieser Kürze kann natürlich nur einen Ausschnitt des mathematischen und physikalischen Berechnungsaufwands anreißen, der für die Herstellung jeder einzelnen maßgeschneiderten Feder notwendig wird. Wurde hier nur die Verformungsarbeit angesprochen, gibt es doch einiges mehr zu beachten. Die Beschleunigungsarbeit und die Hubarbeit sind je nach Umständen ebenso gründlich zu betrachten. Ihre grundsätzliche Wirkung haben die Berechnungen immer auf den Gesamtkomplex der Produktion. Sie nehmen Einfluss auf die Auswahl des Materials und der Maschinerie, wie auch auf die Verfahren zur Härtung und/oder Oberflächenveredelung. Rechnen Sie mit Schaaf, wenn es um optimal konstruierte und gefertigte individuelle technische Federn geht!