Zylindrische schraubenförmige
DruckfedernZylindrische schraubenförmige
DruckfedernDie Berechnung ist für den geometrischen und Festigkeitsentwurf der zylindrischen, durch eine statische bzw. dynamische Belastung beanspruchten Druckfedern aus Drähten und Stangen des Kreisquerschnitt bestimmt. Außer dem Entwurf der geometrischen und Festigkeitsparameter arbeitet die Berechnung mit CAD-Systemen zusammen. Das Programm löst folgende Aufgaben:
Automatischer Entwurf der Feder.
Auswahl einer optimalen Variante der Federauslegung in Hinsicht auf Festigkeit, Geometrie und Gewicht.
Statische und dynamische Festigkeitskontrolle.
Berechnung der Arbeitskräfte einer Feder mit bekannten Herstellungs- und Montagemaßen.
Berechnung der Montagemaße für bekannte Belastung und Herstellungsparameter der Feder.
Das Programm enthält eine Tafel mit üblich verwendeten Federwerkstoffen nach ISO, EN, ASTM/SAE, DIN, BS, JIS und anderen.
Unterstützung von 2D und 3D CAD Systemen.
In der Berechnung sind benutzt Daten, Verfahren, Algorithmen und Angaben aus der Fachliteratur und Normen EN 13906-1, DIN 2089-1, DIN 2095, DIN 2096.
Anwenderoberfläche.
Zum Herunterladen.
Preisliste, Einkauf.
Die Informationen über die Syntax und die Bedienung der Berechnung finden Sie im Dokument "Steuerung, Struktur und Syntax der Berechnungen".
Die Informationen über den Zweck, die Anwendung und die Bedienung des Absatzes "Projektinformation " finden Sie im Dokument "Projektinformationen".
Die Druckfeder ist eine zylindrische Schraubenfeder mit einem annähernd konstanten Spiel unter den Arbeitswindungen, die geeignet ist, äußere in deren Achse gegeneinander angreifende Kräfte aufzunehmen. In Hinsicht auf die Federfunktion werden 4 Grundzustände der Federn unterschieden und gekennzeichnet:
| Federzustand | Beschreibung des Federzustandes | Index |
| frei | Feder ist nicht belastet | 0 |
| vorgespannt | Feder ist der kleinsten Arbeitsbelastung unterworfen | 1 |
| voll belastet | Feder ist der höchsten Arbeitsbelastung unterworfen | 8 |
| Grenzbelastung | Feder ist auf Berührung der Windungen eingefedert, zusammengedrückt | 9 |
Die oben angeführten Indexe werden in der Berechnung zur Kennzeichnung der einzelnen dem gegebenen Federzustand angehörenden Federparameter verwendet.
Die Aufgabe des Entwurfes einer Feder ist nicht direkt lösbar und bietet eine erhebliche Freiheit in der Wahl der Auslegung, Maße oder Belastung der Feder. Den angeforderten Eingangsparametern der Aufgabe können viele Federn von verschiedenen Auslegungen und Maßen genügen. Es ist also iterativ vorzugehen und fortlaufend einzelne Federauslegungen auszuwerten. Die Berechnung löst dieses Problem durch Bildung einer Tafel der vorteilhaftesten Lösungen auf Grund eines gewählten qualitativen Kriteriums. Der Berechnungsvorgang ist in folgenden Punkten angeführt.
In diesen Absatz die grundlegende, Weise und den Modus der Belastung und Auslegung der Feder, und Weise der Federlagerung charakterisierenden Eingangsparameter, und Parameter des Arbeitsumfeldes eingeben.
Für Zwecke der Federberechnung werden zwei grundlegende Methoden der Federbelastungen unterschieden:
Die Temperatur des Arbeitsumfeldes beeinflusst die Entspannung der Feder, die sich durch eine auf Zeit abhängige Abnahme der Federkraft bei deren Verformung auf eine konstante Länge zeigt. Diese Tatsache ist bei dem Entwurf der Feder und bei einer 80 °C überschreitenden Temperatur zu berücksichtigen, und auf entsprechende Weise das Sicherheitsmaß bei der Festigkeitskontrolle der Feder zu erhöhen. Die Höhe der Betriebstemperatur ist auch bei der Auswahl des Federwerkstoffes zu berücksichtigen.
Durch Korrosionseinfluss nimmt wesentlich die Standzeit der Federn ab. Besonders bei zyklisch (ermüdungs-) belasteten Federn hat die Korrosion einen sehr bedeutenden Einfluss. Diese Tatsache ist bei dem Entwurf der Feder für ein korrosionsfördernd aggressives Umfeld zu berücksichtigen, und auf entsprechende Weise das Sicherheitsmaß bei der Festigkeitskontrolle der Feder zu erhöhen. Die Korrosionsmöglichkeit ist auch bei der Auswahl des Federwerkstoffes zu berücksichtigen.
Bei einer Druckfeder ist ihre Absicherung immer gegen Knickung zu kontrollieren. Außer der Größe der maximalen Arbeitsverformung (Einfederung) der Feder beeinflusst auch die Weise der Federlagerung schwerwiegend eine mögliche Knickung.
Die Feder, die nicht aufgebaut werden kann als eine gegen Knickung abgesicherte, wird gewöhnlich von einem Dorn oder einer Führungsbüchse geführt. Wenn eine Gefahr dabei droht, dass es zu einer Beschädigung der Feder durch Reibung der Feder am Dorn oder an der Buchse kommt, lässt sich die Feder in einige kürzere seriell angeordnete Federn teilen.
Lagerungstyp aus der Liste nach der Abbildung wählen.
A) Festlagerung - Freilagerung
B) Gelenklagerung - Gelenklagerung
C) Festlagerung - Festlagerung mit seitlichem Vorschub
D) Festlagerung - Gelenklagerung
E) Festlagerung - Festlagerung
F) Lagerung mit Führung: Die Feder ist durch eine Hülse oder einen Dorn geführt
Bei den Druckfedern benutzt man einige verschiedene Weisen der Auslegung der Federenden, die sich durch die Anzahl der Schluss- und bearbeiteten Windungen der Feder und durch die Ausführung der Stützfläche der Feder unterscheiden. Die Weise der Auslegung aus dem Verzeichnis nach der Abbildung auswählen.
G) Offenes Ende unbearbeitet: Der letzte Gang ist nicht mit der Nachbarwindung zusammengedrückt, die Stützfläche der Feder ist nicht bearbeitet
H) Offenes Ende bearbeitet: Der äußerste Gang ist nicht mit der Nachbarwindung zusammengedrückt, die Stützfläche der Feder ist in eine zur Federachse rechtwinkligen Ebene bearbeitet
I) Geschlossenes Ende unbearbeitet: Der äußerste Gang ist mit der Nachbarwindung zusammengedrückt (in Regel so, dass er an diese mit deren freiem Ende anliegt), die Stützfläche der Feder ist nicht bearbeitet
J) Geschlossenes Ende bearbeitet: Der äußerste Gang ist mit der Nachbarwindung zusammengedrückt, die Stützfläche der Feder ist bearbeitet
Bei kugelgestrahlten Federn erhöht sich die Dauerfestigkeit bei Verdrehung des Federwerkstoffes um ungefähr 10 bis 15 %. Das erlaubt bei den zyklisch beanspruchten kugelgestrahlten Federn den Werkstoffverbrauch für eine Feder zu vermindern, deren Maße und den Aufnahmeraum zu verringern, den Arbeitshub oder die Absicherung der Feder gegen Ermüdungsbrüche zu erhöhen. Deshalb wird empfohlen, die technische Anforderung auf kugelgestrahlte, bei allen schwingend beanspruchten ,Federn durchzusetzen. Aus technologischen Gründen werden üblich nur die Federn mit einem den Wert von 1 mm überschreitenden Drahtdurchmesser kugelgestrahlt.
Bevorzugt wird bei den Federn die Rechtswicklung (in einer rechtsgewundenen Schraubenlinie) verwendet, die Linkswicklung nur, wenn es technisch unentbehrlich ist.
Endwindungen
Die Endwindungen sind äußere mit den Arbeitswindungen achsgleiche Randwindungen der Feder, deren Steigungswinkel bei der funktionellen Federverformung nicht geändert wird. Die Endwindungen bilden eine Stützfläche der Feder und in der Regel wird je eine Endwindung auf beiden Federenden benutzt.
Bearbeitete Windungen
Endwindung der bearbeiteten Feder in der ebenen Fläche, rechtswinklig zur Federachse. In der Regel drei Vierteln oder eine Hälfte der Schlusswindung bis zu ihrem freien Ende bearbeitet. Die bearbeiteten Windungen werden üblich nur bei Federn mit einem Drahtdurchmesser d > 1 mm verwendet.
Einen solchen Typ der Belastung auswählen, der Ihrer Eingabe am besten
entspricht.
Minimales zulässiges Verhältnis zwischen der zulässigen Grenzspannung durch Verdrehung des gewählten Federwerkstoffes und der tatsächlichen maximalen Arbeitsspannung in Federwindungen t8. Für eine nicht korrosionsaggressive Atmosphäre und 80 °C nicht überschreitende Betriebstemperatur des unmittelbaren Umfeldes werden Werte des Sicherheitsmaßes mit Rücksicht auf den Belastungsverlauf und Belastungsmodus im Bereich 1.05 ... 1.3 empfohlen. Die unter einer höheren Temperatur oder in einem aggressiven Umfeld arbeitenden Federn sollten mit einem höheren Sicherheitsmaß entworfen werden.
Bei Schraubenfedern ist in einer Federwindung bei einer gegebenen Belastung entstehende Spannung für die einfache Verdrehung berechnet. Durch eine Windungsabrundung kommt es aber zu zusätzlichen Biegespannungen. Deshalb ist die Spannung in der Berechnung durch einen Korrekturfaktor korrigiert. Da aber üblicherweise einige unterschiedliche Korrekturfaktoren benutzt werden, wählen Sie bitte aus der Liste einen Ihrer lokalen Gewohnheiten oder Empfehlungen aus den Normen entsprechenden Korrekturfaktor aus.
Einen solchen Belastungsmodus auswählen, der Ihrer Eingabe am besten
entspricht.
Bei zyklisch belasteten Federn werden zwei Bereiche der Ermüdungsbelastung der Feder unterschieden. Im ersten Bereich, mit einer begrenzten Standzeit der Feder (die Standzeit unterschreitet cca. 107 Arbeitszyklen), nimmt die Dauerfestigkeit der Feder mit der wachsenden Anzahl der Arbeitszyklen ab. Im Bereich der unbegrenzten Standzeit (die verlangte Standzeit überschreitet 107 Arbeitszyklen) bleibt schon die Dauerfestigkeit des Werkstoffes und damit auch die Festigkeit der Feder beinahe konstant.
Das Sicherheitsmaß gibt das minimal zugelassene Verhältnis zwischen der Ermüdungsfestigkeit in der Verdrehung der Feder an und der tatsächlichen maximalen Arbeitsspannung in den Federwindungen t8. Für eine nicht korrosionsaggressive Atmosphäre und 80 °C nicht überschreitende Betriebstemperatur des unmittelbaren Umfeldes werden die Werte des Sicherheitsmaßes bei Druckfedern mit Rücksicht auf den Belastungsverlauf und Belastungsmodus im Bereich 1.05 ... 1.25 empfohlen. Bei der Festlegung des Sicherheitsmaßes ist auch die Eignung des ausgewählten Federwerkstoffes auf eine Dauerbeanspruchung zu erwägen. Bei den auf Dauerbeanspruchung nicht geeigneten Werkstoffen wird empfohlen, das verlangte Sicherheitsmaß bis zu 20 % zu erhöhen. Die unter höheren Temperaturen oder in einem aggressiven Umfeld arbeitenden Federn sollten mit einem höheren Sicherheitsmaß entworfen werden. Die Korrosion senkt erheblich die Standzeit einer zyklisch beanspruchten Feder.
Bei Schraubenfedern ist die in einer Federwindung gegebenen Belastung entstehende Spannung für die einfache Verdrehung berechnet. Durch eine Windungsabrundung kommt es aber zu zusätzlichen Biegespannungen. Deshalb wird die Spannung in der Berechnung durch einen Korrekturfaktor korrigiert. Da aber üblicherweise einige unterschiedliche Korrekturfaktoren benutzt werden, wählen Sie bitte aus der Liste der Normen einen Ihrer lokalen Gewohnheiten oder Empfehlungen entsprechenden Korrekturfaktor aus.
Dieser Absatz dient der Auswahl des Federwerkstoffes. Sofort nach der Werkstoffauswahl aus der Liste sind hier alle für den Entwurf und die Berechnung der Feder nötigen Informationen dargestellt. Wenn Sie ausführlichere Informationen über den gewählten Werkstoff benötigen oder einen eigenen Werkstoff definieren oder anpassen wollen, schalten Sie in die Werkstoffliste um "Werkstoff".
Aus der Auswahlliste wählen Sie die gewünschte Herstellungsart der Feder. Das Kaltwickeln wird für Federn üblicher Abmessungen mit einem Drahtdurchmesser bis 16 mm eingesetzt. Das Warmformen wird für die Produktion hochbeanspruchter Federn größerer Abmessungen mit einem Drahtdurchmesser von mehr als 10 mm eingesetzt.
Den Werkstoff der Feder aus der Liste auswählen. In dem Verzeichnis werden ausgewählte Werkstoffe von einer gleichen Norm außer 5 Benutzerwerkstoffen angeführt. Wenn Sie wünschen, Werkstoffe aus einer anderen Norm zu verwenden, wählen Sie die einschlägige Norm auf dem Blatt "Werkstoff" aus.
In diesem Absatz sind die Informationen über eine empfohlene Verwendung des ausgewählten Werkstoffes angeführt. Der Werkstoff der Feder sollte mit Rücksicht auf den Belastungsmodus der Feder und die Betriebsbedingungen entworfen werden. Wenn Sie einen weniger geeigneten Werkstoff verwenden müssen, sollte diese Tatsache durch eine Erhöhung des Sicherheitsmaßes bei dem Federentwurf berücksichtigt werden (siehe die Zeile [1.13] bzw. [1.18]).
Die Eigenschaften des in den Zeilen [2.4, 2.6] beschriebenen ausgewählten Werkstoffes werden in fünf Stufen bewertet (exzellent, vorzüglich, gut, schlecht, unzureichend), relative Festigkeit des Werkstoffs in der Zeile [2.5] dann in drei Stufen (hohe, mittlere, kleine).
Hier sind alle für die Berechnung nötigen, vom Durchmesser des verwendeten Drahtes unabhängigen Parameter des Werkstoffes angeführt.
Dieses Kapitel enthält die für Entwurf und Berechnung der Feder nötigen Festigkeitscharakteristiken des ausgewählten Werkstoffes. Die Festigkeit des Werkstoffes charakterisierenden Angaben können für einen und denselben Werkstoff unterschiedlich sein, in Abhängigkeit von dem verwendeten Drahtdurchmesser. Deshalb ist die Größe der hier ausgeschriebenen Werte von dem in der Zeile [4.8] angeführten Drahtdurchmesser abhängig.
Die maximale zulässige Verdrehungspannung des Federmaterials für die schwellende Belastung und die unbegrenzte Standzeit.
Dieser Absatz dient dem eigentlichen Entwurf der Feder. Die Aufgabe des Federentwurfes kann oft für die gegebenen Eingangsbedingungen viele verschiedene befriedigende Lösungen haben. Das Programm verfährt deshalb bei dem Entwurf iterativ und durchsucht für gegebene Eingangsbedingungen einzelne Federauslegungen und wählt auf Grund eines gewählten qualitativen Kriteriums einen Satz von optimalen Lösungen aus. Die ausgewählten Lösungen sind dann in der Form einer aussortierten Tabelle angeboten, aus welcher der entsprechende Entwurf von Ihnen ausgewählt werden kann. Die Angaben über die ausgewählte Feder sind dann sofort in das Ergebniskapitel zu übertragen.
Dieser Teil dient der Eingabe der Grundparameter des Arbeitszyklus beschreibenden Eingangsangaben, denen die entworfene Feder entsprechen soll. In der ersten Eingangsspalte ist der verlangte Wert des gegebenen Federparameters angeführt, in der zweiten Spalte dann die zulässige Abweichung im Bereich 0-99 %. Wenn die entworfene Feder mit dem verlangten Wert des gegebenen Parameters genau übereinstimmen soll, ist die Nullabweichung einzugeben.
In diesem Teil sind verschiedene Filter und Randbedingungen der Entwurfsberechnung zu spezifizieren. Durch deren Einstellung können Sie den Verlauf des Federentwurfes wesentlich beeinflussen und so die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Qualität des Entwurfes, die Ausdehnung und Anzahl der befriedigenden Lösungen, das Qualitätskriterium für die Auswertung der geeignetsten Entwürfe festlegen.
Wenn Sie beim Entwurf einer Feder deren Außendurchmesser begrenzen möchten, (wenn diese zum Beispiel in einer Hülse geführt werden soll), das Anhakfeld im Zeilenanfang anhaken, und in das Eingangsfeld den maximalen zulässigen Wert des Außendurchmessers der Feder eingeben.
Wenn Sie beim Entwurf einer Feder deren Innendurchmesser zu begrenzen bedürfen, (wenn diese zum Beispiel auf einem Dorn geführt werden soll), das Anhakfeld im Zeilenanfang anhaken, und in das Eingangsfeld den minimalen zulässigen Wert des Innendurchmessers der Feder eingeben.
Die Arbeitswindungen einer Feder sind solche Windungen, deren Steigungswinkel bei einer funktionellen Federverformung geändert wird. Bei der Einstellung einer feineren Teilung prüft die Entwurfsberechnung eine größere Anzahl der Federauslegungen und kann so eine genauere Lösung einer höheren Qualität entwerfen. Andererseits wird dadurch die Entwurfsberechnung der Feder selbstverständlich verlangsamt.
Bei einem Entwurf der Feder kann nicht ohne bestimmte Maßbegrenzungen vorgegangen werden. Irgendwelche Maße bzw. Verhältnisse der einzelnen Federabmessungen sind durch empfohlen, sowohl durch Normen als auch von den verschiedenen Herstellern festgelegten Werten begrenzt. Es entsteht so eine Menge von Randbedingungen, die bei dem Entwurf der Feder zu berücksichtigen sind.
Bei einer scharfen Einhaltung dieser Randbedingungen kann es dazu kommen, dass irgendwelche vorteilhafte Lösungen aus dem resultierenden Entwurf ausgeschieden werden, die zwar leicht eine der festgelegten Grenzen überschreiten, trotzdem jedoch noch akzeptabel sein können. Aus diesem Grund können Sie in dieser Zeile einstellen, die prozentuelle zugelassene Überschreitung der Grenzmaße der Feder spezifizierender Filter der Entwurfsberechnung . Sie bekommen so zwar mehrere befriedigende Lösungen, andererseits ist es nötig, die ausgewählte Lösung visuell zu kontrollieren und die Verträglichkeit der eventuellen Überschreitung der Grenzmaße der Federn zu beurteilen. Die Überschreitung der Grenzmaße ist im Ergebniskapitel durch eine Änderung der Farbe des Parameterwertes mit rot angezeigt.
Diese Zeile entscheidet darüber, ob die Feder bei einer Entwurfsberechnung hinsichtlich der Absicherung gegen Knickung überprüft wird. Wenn Sie diese Kontrolle einschalten, werden alle Lösungen dem resultierenden Entwurf entnommen, die der Anforderung auf Stabilität der Federauslegung nicht genügen. Einen maßgebenden Einfluss auf die mögliche Knickung der Feder hat dabei die Art der Federlagerung (siehe Zeile [1.6]). Sollte die Feder mit einer geführten Lagerung ausgelegt werden, ist die Überprüfung nicht durchzuführen.
Wenn die Überprüfung bei dem Entwurf nicht durchgeführt wird, wird der Entwurf der Feder beschleunigt und es werden mehrere entsprechende Lösungen gewonnen. Andererseits entsteht die Anforderung an den Benutzer, diese Überprüfung selbst durch eine visuelle Vergleichung der Angaben in der Zeile [4.44] durchzuführen. Wenn die Feder nicht entspricht, ist es nötig, eine andere der entworfenen Lösungen auszuwählen, eventuell die Art der Lagerung zu verändern. Die Feder, die nicht konstruiert werden kann als eine gegen Knickung abgesicherte, wird gewöhnlich von einem Dorn oder einer Führungsbüchse geführt.
Beim Einschalten dieser Kontrolle werden dem resultierenden Entwurf alle Lösungen entnommen, bei denen die Federlänge in voll belastetem Zustand kleiner ist, als die minimale Grenzversuchslänge der Feder. Wenn diese Kontrolle ausgeschaltet ist, ist es geeignet, eine visuelle Kontrolle der entworfenen Lösung durch Vergleichung der Zeilen [4.24] und [4.30] durchzuführen.
Wenn dieser Lösungsfilter auf den Wert "Ja" eingestelltest ist, werden dem resultierenden Entwurf alle Lösungen entnommen, bei denen das berechnete Sicherheitsmaß ss kleiner ist, als das verlangte in der Zeile [1.13] angeführte. Bei zyklisch belasteten Federn werden auch die Lösungen entnommen, bei denen das berechnete Sicherheitsmaß sf kleiner ist, als das verlangte in der Zeile [1.18] angeführte.
Bei dem ausgeschalteten Filter werden in den resultierenden Entwurf alle Lösungen einbezogen, bei denen die berechneten Sicherheitsmaße größer oder gleich 1 sind. Mit Hinsicht darauf, dass verlangte Sicherheitsmaße meistens eine mehr oder weniger fundierte Abschätzung sind, und nur selten genau den festgelegten Wert widerspiegeln, dessen Überschreitung apriorisch zur Federzerstörung führen würde, ist es für erfahrene Benutzer vorteilhafter, diesen Filter bei dem Entwurf auszuschalten und das Sicherheitsmaß der entworfenen Feder direkt visuell in der Entwurftafel oder dem Ergebniskapitel in der Zeile [4.42] bzw. [4.49] zu beurteilen.
In dieser Zeile wird das Kriterium eingestellt, nach dem die Qualität der einzelnen entsprechenden Lösungen des Federentwurfs ausgewertet wird. Die vorteilhaftesten Lösungen werden dann dem Benutzer in der Tafel angeboten. Das Qualitätskriterium wählen Sie in dem Verzeichnis nach der folgenden Beschreibung aus:
Die Entwurfsberechnung der Feder funktioniert nach einem Iterationsprinzip. In dieser Zeile können Sie die Anzahl der berechneten durchgeführten Iterationen einstellen und so die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Qualität des Entwurfes beeinflussen. Es gilt selbstverständlich allgemein, je mehr Iterationen sind, desto langsamer ist die Berechnung, und desto genauer ist die Lösung. Bei der Einstellung dieser Zeile ist es nichtsdestoweniger ratsam, auch andere Aspekte in Betracht zu ziehen.
Die Geschwindigkeit der Entwurfsdurchführung ist beeinflusst mehr als von der ausgewählten Stufe der Iterationsanzahl durch die Leistungsfähigkeit des Computers und dem Eingabetyp. Auch müssen die Einstellungen der hohen Anzahlen von Iterationen nicht immer genauere Lösungen für irgendwelche Eingabetypen bringen. Allgemein kann gesagt werden, dass die Einstellung einer niedrigen oder mittleren Anzahl der Iterationen für eine übliche Eingabe meistens genügend ist. Die Verwendung einer hohen Anzahl der Iterationen ist für eine erheblich unbestimmte Eingabe von Bedeutung, wo die sämtlichen oder meisten Parameter des Arbeitszyklus im Absatz [3.1] mit einer wesentlichen zugelassenen Abweichung eingegeben werden, und der verlangte Federdurchmesser nicht durch Filter in den Zeilen [3.8, 3.9] begrenzt ist.
Dieser Teil dient dem eigentlichen Berechnungsstart und der darauffolgenden Auswahl einer entsprechenden Feder aus der Tafel der entworfenen Lösungen. Mit Hinsicht auf die Schwierigkeit des Entwurfes einer Feder ist es nicht möglich, immer bei einer Änderung eines der Eingangsparameter die Entwurfsberechnung automatisch durchzuführen, wie es bei anderen Berechnungen auf dem Blatt ist. Die Entwurfsberechnung ist einmalig durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [3.19] gestartet. Über den Berechnungsverlauf sind sie im Dialog informiert.
Nach dem Berechnungsabschluss ist die Tafel der entworfenen Lösungen ausgefüllt und aussortiert, und die Werte der geeignetsten (ausgewählten) Lösungen werden automatisch in das Ergebniskapitel übertragen. Die Tafel wird nach dem in der Zeile [3.18] eingestellten Kriterium aussortiert. Die Tafel der entworfenen Lösungen kann jederzeit durch Auswahl eines anderen Kriteriums wieder sortiert werden.
Wenn die Entwurfsberechnung nicht erfolgreich war, und keine befriedigende Lösung durch diese gefunden wurde, wird diese Tatsache durch eine Warnmeldung angezeigt, und die Lösungstafel im ursprünglichen Zustand belassen. Im folgenden Text werden einzelne Probleme angeführt, zu denen es kommen kann, und deren eventuelle Lösung:
Parameterbedeutung in der Tabelle:
| D | Mittlerer Federdurchmesser |
| De | Außendurchmesser der Feder |
| Di | Innendurchmesser der Feder |
| d | Drahtdurchmesser |
| n | Anzahl der Arbeitswindungen |
| L0 | Länge der unbelasteten Feder |
| L1 | Länge der vorgespannten Feder |
| L8 | Länge der vollbelasteten Feder |
| F1 | Minimale Arbeitsbelastung |
| F8 | Maximale Arbeitsbelastung |
| t8 | Die Spannung der vollbelasteten Feder |
| ss | Sicherheitsmaß der statisch belasteten Feder |
| sf | Sicherheitsmaß der zyklisch belasteten Feder |
| m | Gesamtgewicht der Feder |
| quality | Ein Vergleichswert, der die Lösung der Qualität in Hinsicht des ausgewählten qualitativen Kriteriums ausdrückt[3.15]. Je kleiner der angeführte Wert ist, desto besser ist der Entwurf. |
In diesem Absatz werden für die gegebene Belastung und Maße der Feder alle nötigen die entworfene Feder beschreibenden Parameter nachträglich berechnet. Die Eingangsangaben sind in die Berechnung aus dem ausgewählten Federentwurf in der Lösungstafel [3.20], eventuell aus einer der Ergänzungsberechnungen [7,8,9] übertragen. Für eine leichtere Auswertung und Überprüfung der Werte der einzelnen Federparameter werden hier für irgendwelche Angaben deren empfohlene Grenzwerte (in der Auflistung in einem grünen Feld angeführt). Die Überschreitung der empfohlenen Werte ist durch Veränderung der Farbe des Parameterwertes in rot angezeigt. Kritische Werte, die eine Nichtfunktionalität oder Zerstörung der Feder zur Folge hätten, werden dann durch eine Veränderung der Farbe des ganzen Feldes in rot angezeigt.
Die Federparameter sind in der Auflistung in Absätze nach dem Federzustand verteilt, auf dem Kapitelabschluss sind die Ergebnisse der durchgeführten Festigkeitskontrollen der Feder angeführt. Die Bedeutung der einzelnen Maßparameter der Feder ist aus der Abbildung ersichtlich.
Bei Bedarf, irgendwelche Parameter der entworfenen Feder abstimmen (z. B. die entworfenen Federmaße aufzurunden), verwenden Sie dazu eine der Ergänzungsberechnungen [7,8,9]
Durch Drücken der Schaltfläche aktualisieren Sie in dieser Zeile die Parameterauflistungswerte durch die Angaben aus dem ausgewählten Federentwurf in der Lösungstabelle [3.20].
Es gibt das Verhältnis zwischen dem mittleren Federdurchmesser und dem Durchmesser des verwendeten Drahtes D/d.
Ein theoretisch festgelegter, die maximale zugelassene Verformung (Einfederung, Zusammendrückung) einer Druckfeder charakterisierender Grenzwert. Dieser dient der Festlegung der minimalen zugelassenen Prüflänge der Feder [4.30].
Bei einer Einfederung auf eine kleinere als die Grenzlänge nimmt die tatsächliche Federsteife über die theoretisch festgelegte Steifheit markant zu, gültig im Bereich der Einfederung bis zu dieser Länge. Zugleich kommt es zur Minderung der kritischen Geschwindigkeit (siehe [4.34]) und dadurch zur Erhöhung von Risiken eventueller gegenseitiger Stöße der Windungen im Betrieb. Aus diesen Gründen sollte eine Druckfeder nicht auf eine kleinere Länge gedrückt werden (auch nicht bei einer Prüfung oder Montage). Für den Entwurf der Feder folgt daraus eine Bedingung, dass die Länge der vollbelasteten Feder [4.22] größer ist, als diese Grenzlänge.
Bei Druckfedern, bei denen die Maximalgeschwindigkeit des sich bewegenden Federendes bei Belastung oder Entlastung ihre kritische Geschwindigkeit der Einfederung überschreitet, kommen Zusammenstöße der Windungen als Folge der Trägheit auf. Das führt zur Erhöhung der tatsächlichen Spannung in einer Federwindung um eine Kontaktspannung. Diese Tatsache beeinflusst in der Regel sehr ungünstig die Standzeit der Feder und ist bei einem Entwurf der Druckfeder zu berücksichtigen.
Bei den zyklisch beanspruchten Druckfedern können Resonanzerscheinungen aufkommen. Um diese zu verhindern, ist es nötig, dass die Feder mit einer von der Eigenfrequenz der Feder unterscheidenden Erregungsfrequenz belastet wird (um zirka +-15%).
Die Festigkeitskontrolle einer Druckfeder ist durch Vergleich der zugelassenen Grenzspannung in der Verdrehung des ausgewählten Werkstoffes [4.41] mit der korrigierten Federspannung im voll belasteten Zustand [4.40]. Wenn die entworfene Feder die Festigkeitskontrolle restlos bestehen soll, muss das resultierende Sicherheitsmaß [4.42] größer oder gleich dem verlangten Sicherheitsmaß [1.13] sein.
Die Spannung in einer Federwindung ist für eine einfache Verdrehung berechnet, und deren berechneter Wert ist ein theoretischer Wert. In der Tatsache ist die Windungsspannung höher, weil zusätzliche Biegespannungen durch den Einfluss der Windungsrundung entstehen. Deshalb ist die Spannung zwecks der Festigkeitskontrolle durch einen Korrekturkoeffizienten (siehe die Zeile [1.14]) korrigiert.
Bei einer Druckfeder ist ihre Absicherung gegen Knickung immer zu kontrollieren. Die Kontrolle ist durch einen Vergleich der maximalen Arbeitsverformung der Feder (als Prozentverhältnis zur freien Federlänge quantifiziert) mit der zugelassenen Verformung durchgeführt. Der Wert der zugelassenen Verformung ist aus Erfahrung für das gegebene Schlankheitsverhältnis der Feder L0/D festgelegt und für den Typ der Federlagerung. Allgemein gilt, dass das Risiko einer möglichen Knickung mit dem zunehmenden Wert des Schlankheitsverhältnisses und der Arbeitseinfederung wächst. Einen schwerwiegenden Einfluss auf die mögliche Knickung hat dabei die Art der Federlagerung (siehe die Zeile [1.6]).
Die Feder, die nicht konstruiert werden kann als eine gegen Knickung abgesicherte, wird gewöhnlich von einem Dorn oder einer Führungsbüchse geführt. Wenn eine Gefahr dabei droht, dass es zu einer Beschädigung der Feder durch Reibung kommt, lässt sich die Feder in einige kürzere seriell angeordnete Federn teilen.
Die Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Feder ist durch Vergleich der maximalen für den gegebenen Verlauf der Belastung festgelegten Ermüdungsfestigkeit des Werkstoffes durchgeführt [4.48] mit der korrigierten Federspannung im voll belasteten Zustand [4.47]. Wenn die entworfene Feder die Festigkeitskontrolle restlos bestehen soll, muss das resultierende Sicherheitsmaß [4.49] größer oder gleich dem verlangten Sicherheitsmaß [1.18] sein. Auch bei einer zyklisch belasteten Feder muss die Bedingung der statischen Festigkeitskontrolle selbstverständlich erfüllt sein [4.38].
Die Spannung in einer Federwindung ist für eine einfache Verdrehung berechnet, und deren berechneter Wert ist ein theoretischer Wert. In der Tatsache ist die Spannung in der Windung höher, weil zusätzliche Biegespannungen durch den Einfluss der Windungsrundung entstehen. Deshalb ist die Spannung zwecks der Festigkeitskontrolle durch einen Korrekturkoeffizienten (siehe die Zeile [1.19]) korrigiert.
Die maximale Ermüdungsfestigkeit der Feder ist auf Grund der Ermüdungsfestigkeit des gewählten Werkstoffes und des gegebenen Belastungsverlaufs der Feder aus dem zutreffenden Ermüdungsdiagramm von Goodman festgelegt.
Dieser Absatz dient der Berechnung der Parameter der (im Absatz [4] entworfenen) Feder, die sich in einem spezifischen Betriebszustand befindet. Der Absatz [5.1] ist für die Berechnung der Länge Lx der mit der gegebenen Arbeitskraft Fx zusammengedrückten Feder bestimmt. Der Absatz [5.6] ermöglicht, die für eine Einfederung der Feder auf die gegebene Länge Lx nötige Betriebskraft festzustellen.
In diesem Absatz sind die Parameter der Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Feder angeführt. Die Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Feder ist durch Vergleich der maximalen für den gegebenen Belastungsverlauf [6.8] festgelegten Ermüdungsfestigkeit des verwendeten Werkstoffes mit der korrigierten Federspannung im voll belasteten Zustand durchgeführt [6.3]. Wenn die entworfene Feder die Festigkeitskontrolle restlos bestehen soll, muss das resultierende Sicherheitsmaß [6.9] größer oder gleich dem verlangten Sicherheitsmaß [1.18] sein.
Die Spannung in einer Federwindung ist für einfache Verdrehung berechnet, und deren berechneter Wert ist ein theoretischer Wert. In der Tatsache ist die Spannung in der Windung höher, weil zusätzliche Biegespannungen durch den Einfluss der Windungsrundung entstehen. Deshalb ist die Spannung zwecks der Festigkeitskontrolle durch einen Korrekturkoeffizienten (siehe die Zeile [1.19]) korrigiert.
Die maximale zulässige Verdrehungspannung des Federmaterials für die schwellende Belastung und die unbegrenzte Standzeit.
Die maximale Ermüdungsfestigkeit der Feder ist auf Grund der Ermüdungsfestigkeit des gewählten Werkstoffes und des gegebenen Belastungsverlaufs der Feder aus dem zutreffenden Ermüdungsdiagramm von Goodman festgelegt.
In diesem Absatz ist die erste von den Ergänzungsberechnungen angebracht. Diese Berechnung verfügt über drei Funktionen.
Die in diesem Absatz aufgestellte Berechnung verfügt über zwei Funktionen.
Die in diesem Absatz aufgestellte Berechnung verfügt über zwei Funktionen.
Die Informationen über die Möglichkeiten der 2D- und 3D-graphischen Ausgabe und die Informationen über das Zusammenwirken mit den 2D- und 3D CAD-Systemen finden Sie im Dokument "Grafische Ausgabe, CAD - Systeme".
Die Informationen über die Einstellung der Berechnungsparameter und der Spracheneinstellung finden Sie im Dokument "Einstellung der Berechnungen, Sprachenänderung".
Bei einem Entwurf der Feder kann nicht ohne bestimmte Maßbegrenzungen vorgegangen werden. Irgendwelche Maße bzw. Verhältnisse der einzelnen Federabmessungen sind durch empfohlene Werte sowohl von den einschlägigen Normen (siehe zum Beispiel DIN 2095, DIN 2096) als auch von den verschiedenen Herstellern begrenzt. Es entsteht so eine Menge von Randbedingungen, die bei dem Federentwurf zu berücksichtigen sind.
Deshalb können unterschiedliche empfohlene Werte der Grenzmaße verwendet werden, und Sie können jetzt diese in diesem Absatz nach Ihren Anforderungen anpassen. In der ersten Spalte sind bei den einzelnen Parametern die Minimalwerte eingegeben, in der zweiten Spalte die Maximalwerte. Bei der Einstellung von lockeren Randbedingungen (durch Minderung der minimalen bzw. Vergrößerung der maximalen Werte) wählt das Programm bei dem Federentwurf einen weiteren Bereich von befriedigenden Lösungen aus. Damit erhöhen Sie die Möglichkeit, eine Lösung mit einer höheren Qualität zu finden. Andererseits setzen Sie sich dem Risiko aus, dass der gewählte Lieferant nicht bereit sein wird, die von Ihnen entworfene Feder herzustellen.
Wenn Sie auf Grenzmaße der Feder keine besondere Anforderungen legen, verwenden Sie die vordefinierte Einstellung. Durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [3.8] stellen Sie in den Eingangsfeldern die der Menge der Randbedingungen für üblich gelieferte Federn entsprechenden Standardwerte ein.
Es gibt das Verhältnis zwischen dem mittleren Federdurchmesser und dem Durchmesser des verwendeten Drahtes D/d an.
Nach DIN:
4 bis 20 - kaltgeformte Federn (DIN 2095)
3 bis 12 - warmgeformte Federn (DIN 2096)
Kaltgeformte Federn - nach DIN 2095 maximal 240 mm. Es werden auch üblich Federn von größeren Durchmessern geliefert.
Warmgeformte Federn - nach DIN 2096 maximal 460 mm.
Durch keine Norm festgelegt. Bei üblich hergestellten Federn gewöhnlich 1 bis zu 10. Mit dem zunehmenden Verhältnis vergrößert sich die Neigung der Feder zur Knickung.
Kaltgeformte Federn - nach DIN 2095 maximal 630 mm.
Warmgeformte Federn - nach DIN 2096 maximal 800 mm.
Üblich angeliefert werden auch Federn von größeren Längen.
Durch keine Norm festgelegt, bei üblich hergestellten Federn gewöhnlich:
0.3*D < t < 0.6*D - für Drahtdurchmesser bis zu 10 mm
1.5*d < t < 0.55*D - für dickere Drähte
Eine zu kleine Teilung verhindert in der Regel eine vollkommene Kugelstrahlung der Feder.
Bei den kaltgeformten Druckfedern sind nach DIN 2095 minimal 2 Arbeitswindungen vorgeschrieben.
Bei den warmgeformten Druckfedern sind nach DIN 2096 minimal 3 Arbeitswindungen vorgeschrieben.
Die allgemeinen Informationen darüber, wie man die Berechnungshefte ändern und erweitern kann, sind im Dokument "Benutzerspezifische Anpassungen der Berechnung" aufgeführt.
Bei der Federberechnung kann nicht mittels Anpassungen und Änderungen im Blatt in die Entwurfsberechnung der Feder eingegriffen werden. In Hinsicht auf die Anforderungen der Aufgabe für die Federberechnung ist diese Berechnung als eine innere Funktion des Blattes implementiert.
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