Federkraft

Die Feder gehört zu den wichtigen Konstruktionselementen des Maschinenbaus, der Feinwerktechnik, der Elektrotechnik und des Fahrzeugbaus. Der Mensch konnte schon früh die Federwirkung verschiedener Materialien nutzen. So zum Beispiel den biegsamen Ast zum Bau von Fallen, den Pfeil und Bogen als Waffe oder die Pinzette als Werkzeug.

Schon die Bronze wurde als Werkstoff für Metallfedern genutzt. Die Legierung erhielt dazu einen erhöhten Anteil an Zinn. Nach dem Gießen wurde dann das Material durch Hämmern bearbeitet, um so die elastischen Eigenschaften zu optimieren. Eine Beryllium-Nickel-Stahl-Legierung für die Herstellung von Uhrenfedern wurde 1930 von Richard Lange patentiert. In Uhren wurden seit dem fünfzehnten Jahrhundert gewundene Federn eingebaut. Für die präzise Fertigung der Antriebe waren Berechnungen seiner Unruhspirale zwingend erforderlich. Federberechnungen beruhten anfangs auf stark vereinfachte Annahmen. Eine sehr interessante Publikation Geschichte der Metallfedern und der Federntechnik in Deutschland  hat 2009 der Universitätsverlag Ilmenau veröffentlicht. Es wird die Geschichte der Federn unter Einbezug der Federntechnik dargestellt. Die Autoren sind Manfred Meissner, Friedhelm Fischer, Klaus Wanke, Manfred Plitzko. Quelle: Katalog der Deutschen Nationalbibliothek.

Die für Federn verwendeten Materialien sind üblicherweise spezielle Federstähle. Aber auch andere Legierungen wie Berylliumkupfer werden genutzt. In Prinzip eignen sich alle elastischen Materialien als Federwerkstoff. So auch Faserverbundwerkstoffe, Gummi, Gase und speziell mit Glasfasern verstärkter Kunststoff.

hafen

Der britische Physiker Robert Hooke [Wikipedia] entdeckte, dass die von einer Feder ausgeübte Kraft sich proportional zu ihrer Länge verhält. Er formulierte das nach ihm benannte Hookesche Gesetz. Die Federkennlinie oder auch Federkonstante ist die technische Größe der Feder, die den Zusammenhang zwischen Weg und Kraft beschreibt. Diese Kennlinie ist in vielen Fällen linear und nach dem Hookeschen Gesetz berechenbar. Der Wirkungsgrad oder die Dämpfungseigenschaften werden über die Federarbeit definiert. Während der Verformung einer Feder wird Deformationsenergie und damit Kraft und Weg für die jeweilige Anwendung gespeichert.

Solange keine bleibende Verformung erfolgt, wird die Feder während seiner Entspannung den größten Teil der aufgewendeten Deformationsenergie  wieder abgeben. Bei einigen Federbauarten ist jedoch zu beachten, dass sie einen merklichen Teil der aufgenommenen Energie in Wärme umwandeln. Die Federrate während der Entspannung ist dann eine andere als beim Anspannen bzw. der Verformung.

Für die Berechnung und Konstruktion zylindrischer Schraubenfedern aus runden Drähten und Stäben stehen Normblätter zur Verfügung. Sie werden laufend aktualisiert.
Das Deutsches Institut für Normung e. V. DIN arbeitet  unter Mitwirkung verschiedener interessierter Kreise. Es vertritt u. a. die deutschen Interessen bei der Erarbeitung europäischer und internationaler Normen. DIN ist im Internet vertreten unter http://www.din.de.

In Normen-Auslegestellen ist das Deutsche Normenwerk kostenfrei einzusehen. Die Normen sind zumeist in elektronischer Form am Bildschirm zugänglich. Normen-Auslegestellen sind unter anderem zu finden bei technische-Normen.de  oder auch bei Normen-Infopoint.

Ein gut geschriebenes und sehr hilfreiches Buch mit Berechnungsgrundlagen für Federn aus metallischen Werkstoffen ist:
Metallfedern, Grundlagen, Werkstoffe, Berechnung, Gestaltung und Rechnereinsatz
Manfred Meissner – Hans-Jürgen Schorcht  – ISBN 978-3-540-49868-1 Springer Berlin Heidelberg New York
Es zeigt grundsätzliche Verfahren und Probleme der Federherstellung auf und beinhaltet zahlreiche Anwendungsbeispiele und praktische Berechnungsbeispiele.

Wikipedia bietet weiterführende Information auf den Seiten:
Feder_(Technik)Hookesches_GesetzFederkonstanteFederarbeit

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