Die wohl bekannteste Verwendung einer Torsionsfeder ist der Torsionsstab, eine Drehstabfeder, die von Ferdinand Porsche erfunden und von ihm 1931 patentiert wurde. Seitdem wird der Torsionsstab vor allem auch im Automobilbau als kostengünstiges Federelement eingesetzt. Über diese Verwendungsart hinaus sind Torsionsfedern auch im Industrie- und Anlagenbau zu finden und leisten ihren zuverlässigen Dienst millionenfach bei Garagentoren. Ein Blick auf einen Klassiker der technischen Federn.
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Der Name Torsionsfeder kommt von der geforderten Eigenschaft, die diese technische Feder erfüllen muss. Tordieren heißt „verdrehen“ oder „verwinden“.
Somit ist eine Torsionsfeder eine Federnart, die eingesetzt wird, um eine ständige Drehbewegung durchzuführen. Die Torsion bezeichnet die Verdrehung oder Verdrillung eines Körpers. Wenn ein Körper verdreht (tordiert) wird, wird dieser Moment als Torsionsmoment bezeichnet. Nimmt man einen Stab und versucht ihn mit einem Hebel senkrecht zur Längsachse zu verdrehen, so wirkt auf ihn ein Torsionsmoment.
In der Regel bestehen Torsionsfedern aus Bändern, Stäben oder Drähten mit einem runden Querschnitt. In ihrem Einsatz führen sie permanente Drehbewegungen durch. Die äußeren Seiten der Torsionsfedern werden an einem Bauteil befestigt. Diese beiden Seiten führen dann gegeneinander die Dreh- oder Schwenkbewegung durch. Es kommt also zur Verdrehung der Körperachsen. Das oben erwähnte Torsionsmoment.
Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dieser Federkonstruktionen, erfordern eine präzise Konfiguration und Torsionsfedern Berechnung für die Federnherstellung.
Die Federrate (auch Federkonstante) beschreibt die Torsionsbeanspruchung. Drahtstärke, Drehwinkel, Drehmoment, Dorndurchmesser, Windungsdurchmesser, Windungsrichtung und viele weitere Kriterien müssen genauestens berechnet werden. Es gibt viele Parameter, die bei der Fertigung von Torsionsfedern entscheidend sind.
Einen generellen Unterschied machen bereits der Werkstoff sowie die Grundform der Feder aus. Neben geraden Torsionsfedern, die als Stab- oder Drehstabfedern bezeichnet werden, gibt es auch Ausführungen als Schraubenfedern, bei denen ihre gewundene Form charakteristisch ist.
Torsionsfedern kommen meist dort zum Einsatz, wo ein Drehmoment erzeugt oder die Rotationsenergie gesammelt werden soll. Beispielsweise werden Torsionsfedern für Scharniere, Gegengewichte und Hebelrückzüge verwendet.
Die unterschiedlichen Anwendungsgebiete im Industrie- und Anlagenbau, aber auch in der Automobilindustrie erfordern unterschiedliche Federn-Ausführungen.
Wie der Name schon sagt, hat die Stabfeder einen gestreckten, stabförmigen Aufbau. Eine Schubspannung entsteht, sobald, dieser Stab um seine Längsachse verdreht wird. Für die Berechnung der Torsionsfeder wichtig: Die Schubspannung wächst mit dem Querschnittsradius an und ist proportional zum Torsionsmoment. Die Schubspannungsverteilung verhält sich im Stabquerschnitt rotationssymmetrisch.
Stabfedern werden als Stabilisatoren zur Federung von Fahrzeugen ebenso eingesetzt wie als Torsionspendel in mechanischen Uhren und als Torsionsband in Drehspul-Messinstrumenten.
Sie werden aus Federstahldraht in Schraubenform gewunden. „Zug“ oder „Druck“ sind Funktionen, die die Schraubenfedern generell unterscheiden:
Zugfedern
Entsprechend ihrer Bezeichnung werden Zugfedern auseinandergezogen. Zugfedern sind zylindrische Spiralfedern, die Energie speichern, welche durch ziehende Kraft ausgenutzt wird.
Druckfedern
Druckfedern hingegen werden zusammengepresst. Druckfedern sind zylindrische Spiralfedern, die gegen einen zugeführten Druck Widerstand leisten.
Einen entscheidenden Unterschied von Stabfedern zu Schraubenfedern macht die Spannungsverteilung aus. Bei Schraubenfedern ist die Spannungsverteilung nicht rotationssymmetrisch. Da die Spannung der konkav geformten Randfasern erhöht ist, muss ein Ausgleich mit Korrekturfaktoren erfolgen. Diese spezifische Torsionsfeder-Belastung wird bei der Produktion berücksichtigt. Wird nämlich bei der Herstellung der Krümmung nicht mit Wärme nachbehandelt, wird die zulässige Spannung gemindert.
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