Technische Federn sind Federstahl-Bauteile, deren Funktion darin besteht, sich elastisch zu verformen. Unter Belastung geben sie nach und nehmen Kraft auf, die sie bei Entspannung wieder abgeben und in ihre ursprüngliche Form zurückkehren lässt. Insofern diese Funktion einwandfrei auf Dauer wirken soll, ist die Frage der Lebensdauer und Ermüdung einer technischen Feder von großem Interesse für jeden Anwender. Ein Blick auf die bestimmenden Faktoren der Haltbarkeit von Federn schafft diesbezüglich Klarheit.
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Die Haltbarkeit einer technischen Feder definiert sich über das Ideal ihres Nutzens: Wenn sie keinen Kraftverlust aufweist und während eines bestimmten Federwegs unter einer gegebenen Kraft weder bricht noch sich verkürzt, ihre Funktion also nicht gestört oder gar außer Kraft gesetzt wird, gilt sie als haltbar. Der Schluss, der daraus zu ziehen ist, heißt, dass die Spannung im Werkstoff nie höher sein darf als es die Stärke des Werkstoffs zulässt.
Immer wenn eine Kraft auf ein Stück Metall wirkt, biegt sich dieses zunächst elastisch durch. Erhöht man die Kraft über ein bestimmtes Maß hinaus, findet eine plastische Verformung statt. Wenn das Material nach der Entlastung in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, liegt ein elastisches Durchbiegen vor. Im Falle, dass die ursprüngliche Form nicht wieder erreicht wird, ist von plastischer Verformung die Rede. Im Bereich der Anwendungen von technischen Federn ist das elastische Durchbiegen die Regel. Mit diesen Anforderungen müssen spezielle Formfedern ein hohes Verformungsvermögen sowie eine zuverlässige Haltbarkeit bieten. Unter meist extremen Bedingungen müssen die Federn konstante Werkstoffeigenschaften aufweisen.
Berechnet beziehungsweise dargestellt wird diese Funktion von Spannung und Durchbiegung im Gesetz von Hook. Das elastische Verhalten erhält hier einen bestimmten Wert, der in Abhängigkeit von der Materialstärke Auskunft unter anderem über die ultimative Zugfestigkeit gibt, also über den Grad an Spannung, bei der das Metall bricht.
Zur Physik von Metallen gehört es, dass bei Spannung unterhalb der Streckgrenze des verwendeten Werkstoffes eine langsame, aber stetig voranschreitende plastische Verformung stattfindet. Wenn die Feder unter konstanter Last an Länge verliert, wird dieses Phänomen als „Kriechen“ bezeichnet. Von „Entspannung“ redet man, wenn die Feder bei konstantem Zusammendrücken Last verliert.
Der Grad des Kriechens und der Entspannung hängt von unterschiedlichen Kriterien ab:
Insbesondere die Temperatur und die Spannung beeinflussen das Kriechen und die Entspannung deutlich.
Das weitere Phänomen, die Ermüdung, die bis zum Bruch des Werkstoffes reichen kann, tritt bei pulsierender Spannung unterhalb der Streckgrenze des Metalls auf. Das Problem beginnt mit dem Entstehen und der Entwicklung eines winzigen Ermüdungsrisses, der mit der Pulsierung wächst. Erreicht die Spannung im Werkstoff die ultimative Streckgrenze, bricht das Metall.
Drei Faktoren bestimmen das Risiko eines solchen Ereignisses:
Werkstoffe mit gleicher chemischer Analyse und derselben Stärke können dennoch unterschiedliche Ermüdungseigenschaften aufweisen, da es noch weitere Werkstoffeigenschaften gibt, die auf die Ermüdung einen Einfluss haben.
Korrosion und Temperatur beeinflussen die Ermüdungsstärke einer Feder ebenso. Um die Risikostufen in Bezug auf Brüche exakt einschätzen zu können, werden weit entwickelte Ermüdungstests durchgeführt und im Ergebnis mit einschlägigen Statistiken abgeglichen.
Um eine technische Problemsituation nachhaltig zu lösen, spielt die Haltbarkeit von technischen Federn natürlich auch eine wesentliche Rolle. Die unterschiedlichen Kriterien, die hierbei zu beachten sind, machen deutlich, dass die Lösung mit technischen Federn immer eine Sache von Kompetenz und Erfahrung ist. Physikalisches Wissen, Materialkunde und gewachsenes Know-how sind gefragt, um eine gute Haltbarkeit und das jeweilige Optimum sicher zu erzielen. Man ist gut beraten, auf Spezialisten wie Schaaf zu setzen, wenn es die aktuell beste Performance technischer Federn sein soll.
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