Federn sind grundlegende mechanische Komponenten, die dazu dienen, Energie durch Verformung zu speichern und abzugeben. Ihre Konstruktion erfordert ein tiefes Verständnis verschiedener mechanischer Prinzipien, einschließlich Spannung, Dehnung und Ermüdung. In einem anderen Blog haben wir über die Grundlagen mechanischer Geräte geschrieben. Lassen Sie uns in diese Themen eintauchen und herausfinden, wie man Federn konstruiert, die lange halten.
Die Spannung in einer Feder ist die innere Kraft pro Flächeneinheit, die durch äußere Kräfte oder Verformungen hervorgerufen wird. Wenn eine Feder belastet wird, erfährt sie eine Kombination aus Zug-, Druck- und Scherspannung.
Bei den meisten Schraubenfedern ist die Scherspannung die vorherrschende Art. Die maximale Schubspannung τ kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
wobei:
– ( F ) ist die aufgebrachte Last.
– ( Dm ) ist der mittlere Windungsdurchmesser.
– ( d ) ist der Drahtdurchmesser.
– ( K ) ist der Wahl-Korrekturfaktor, der die direkten Scher- und Krümmungseffekte berücksichtigt.
Die Dehnung ist die Verformung pro Längeneinheit, die durch die angelegte Spannung verursacht wird. Bei Federn gibt sie an, wie stark sich die Feder verformt, wenn sie einer bestimmten Belastung ausgesetzt ist. Die Dehnung ((\epsilon)) kann wie folgt ausgedrückt werden:
wobei:
– (ΔL) die Änderung der Länge ist.
– (L0) ist die ursprüngliche Länge.
Unter elastischen Bedingungen (d. h. die Verformung ist reversibel) beschreibt das Hooke’sche Gesetz das Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung:
σ= E * ε
wobei:
– ( σ ) ist die Normal-/Zugspannung in MPa
– ( E ) ist der Elastizitätsmodul (ein Maß für die Steifigkeit des Materials).
– ( ε ) ist die Dehnung
Ermüdung ist die fortschreitende und örtlich begrenzte strukturelle Schädigung, die auftritt, wenn ein Material einer zyklischen Belastung ausgesetzt wird. Im Laufe der Zeit können solche zyklischen Belastungen dazu führen, dass eine Feder reißt und schließlich versagt, selbst wenn die Spannungen weit unter der Zugfestigkeit des Materials liegen.
Die Ermüdungslebensdauer einer Feder beschreibt die Anzahl der Zyklen, denen sie standhalten kann, bevor sie versagt. Die Ermüdungslebensdauer wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter:
Um die Haltbarkeit und Leistung von Federn zu verbessern, müssen folgende Punkte berücksichtigt werden:
Die Wahl eines Materials mit hoher Ermüdungsfestigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit ist entscheidend. Gängige Werkstoffe sind:
Konstruieren Sie Federn so, dass sie bestimmten Umgebungsbedingungen standhalten. Zum Beispiel:
Bei kritischen Anwendungen sollten Sie Redundanz und Sicherheitsfaktoren berücksichtigen, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. So kann beispielsweise die Auslegung von Federn, die weit über die erwartete Höchstlast hinaus belastet werden können, unerwartete Ausfälle verhindern.
Das Verständnis dieser Prinzipien und ihre durchdachte Anwendung bei der Konstruktion von Federn kann zu äußerst zuverlässigen und langlebigen Federn führen, die auf ihre spezifischen Anwendungen zugeschnitten sind.
