Zylindrische schraubenförmige
Verdrehungsfedern.Zylindrische schraubenförmige
Verdrehungsfedern.Die Berechnung ist für einen geometrischen und Festigkeitsentwurf der zylindrischen, durch statische bzw. zyklische Belastung beanspruchte Verdrehungsfedern aus Drähten und Stangen und 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 Federausführung 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 Daten, Verfahren, Algorithmen und Angaben aus der Fachliteratur und Normen EN 13906-3, DIN 2088 benutzt.
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 Verdrehungsfeder ist eine schraubenförmige zylindrische Feder mit annähender konstanter Winkelaufhängungsfeder, die geeignet ist, äußere einwirkende Kräfte aufzunehmen in den Ebenen des rechtswinklig zur Winklungsachse gelegenen Drehmoments im Sinne des Rollens und der Abwicklung. In Hinsicht auf die Federfunktion werden 4 Grundzustände der Federn unterschieden und gekennzeichnet:
| Federzustand | Beschreibung des Federzustandes | Index |
| frei | die Feder ist nicht belastet | 0 |
| vorgespannt | die Feder ist der kleinsten Arbeitsbelastung unterworfen | 1 |
| voll belastet | die Feder ist der höchsten Arbeitsbelastung unterworfen | 8 |
| Höchstbelastung | die Feder ist der Grenzbelastung unterworfen | 9 |
Die oben angeführten Indexe werden in der Berechnung zur Kennzeichnung der einzelnen dem gegebenen Federzustand angehörenden Federparameter verwendet.
Die hier verwendete Berechnung der Verdrehungsfeder berücksichtigt weder den Einfluss der Federabstützung an den inneren oder äußeren Führungsteil noch den der Reibung, die dabei entsteht. Auch wird der eventuelle Einfluss der Reibung unter den Federwindungen nicht berücksichtigt.
Die Aufgabe des Entwurfes einer Feder ist nicht direkt lösbar und bietet eine erhebliche Freiheit in der Wahl der Ausführung, Maße oder Belastung der Feder. Den angeforderten Eingangsparametern der Aufgabe können viele Federn von verschiedenen Ausführungen und Maßen genügen. Es ist also iterativ vorzugehen und fortlaufend einzelne Federausführungen auszuwerten. Die Berechnung löst dieses Problem durch Bildung einer Tafel der vorteilhaftesten Lösungen auf Grund eines gewählten qualitativen Kriteriums. Das Lösungsverfahren ist in folgenden Punkten angeführt (in eckigen Klammern ist die Absatznummer).
In diesem Absatz die grundlegende, Weise und Modus der Belastung und Ausführung 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 von der Zeit abhängigen Abnahme der Federkraft bei deren Verformung auf einen konstanten Winkelausschlag zeigt. Diese Tatsache ist bei dem Entwurf der Feder und bei 80 °C überschreitende Temperaturen zu berücksichtigen, und auf entsprechende Weise ist das Sicherheitsmaß bei der Festigkeitskontrolle der Feder zu erhöhen. Der Wert der Arbeitstemperatur ist auch bei der Auswahl des Federwerkstoffes zu berücksichtigen.
Durch Korrosionseinfluss nimmt die Standzeit der Federn wesentlich ab. Besonders bei zyklisch (ermüdungs-) belasteten Federn hat die Korrosion einen sehr bedeutenden Einfluss. Diese Tatsache ist bei dem Entwurf der Feder für ein korrosionsförderndes aggressives Umfeld zu berücksichtigen, und das Sicherheitsmaß ist auf eine entsprechende Weise bei der Festigkeitskontrolle der Feder zu erhöhen. Die Korrosionsmöglichkeit ist auch bei der Auswahl des Federwerkstoffes zu erwägen.
Bei Schraubenfedern ist die in einer Federwindung bei einer gegebenen Belastung entstehende Spannung auf eine einfache Biegung des mittleren Radius berechnet. Vor allem durch die Windungsabrundung ist die tatsächliche Spannung in den Randfasern erheblich höher. Deshalb wird die Spannung in der Berechnung durch einen Korrekturfaktor korrigiert. Da aber einige unterschiedliche Korrekturfaktoren üblich benutzt werden, wählen Sie bitte aus der Liste einen Ihrer Gewohnheiten oder Empfehlungen aus den Normen entsprechenden Korrekturfaktor aus.
Die Verdrehungsfedern werden in zwei grundlegenden Ausführungen hergestellt und zwar entweder mit aufeinanderliegenden Windungen oder mit einem Abstand unter den Windungen. Für statisch belastete Federn werden Federn mit aufeinanderliegenden Windungen bevorzugt angewendet. Bei diesen Federn kommt es jedoch bei der Arbeitsfunktion zur gegenseitigen Reibung unter den Windungen, was eine Herabsetzung der Standzeit der Feder verursachen kann. Außerdem verhindern die aufeinanderliegenden Windungen in der Regel die vollkommene Kugelstrahlung der Feder. Deshalb werden die Federn mit 105 größeren Arbeitszyklen überschreitenden Standzeit verwendet als die mit einem Spiel unter den Windungen gewickelten. Die Teilung zwischen den Federwindungen ist dann gewöhnlich im Bereich 0.3*D < t < 0.5*D.
Wo:
D - Mittlerer Durchmesser der Feder
t - Teilung zwischen den Windungen
Bevorzugt wird empfohlen, die Verdrehungsfedern so aufzubauen, dass diese in der Windungsrichtung belastet werden, d. h. bei der Energieaufnahme eingerollt und bei der Energieentnahme ausgerollt werden. Wenn es technisch nötig ist, die Feder gegen ihre Windungsrichtung zu belasten, wird empfohlen, die Feder mit einem höheren Sicherheitsmaß zu entwerfen (cca. um 3-5 %).
Durch Kugelstrahlung der Feder wird die Biegedauerfestigkeit des Federwerkstoffes um ungefähr 10 bis 15 % erhöht. Das erlaubt bei den zyklisch beanspruchten Federn mit Kugelstrahlung den Werkstoffverbrauch für eine Feder zu vermindern, deren Maße und den Aufnahmeraum zu verringern, den Winkel des Arbeitshubs oder die Absicherung der Feder gegen Ermüdungsbrüche zu erhöhen. Deshalb wird empfohlen, die technische Anforderung auf Kugelbestrahlung bei allen schwingend beanspruchten Federn durchzusetzen. Aus technologischen Gründen werden üblich nur 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.
Bei einer Verdrehungsfeder wird das Kraftmoment üblich durch die Arme übertragen. Als Arbeitsarm der Feder ist als der belastete Arm gedacht, der sich im Verlauf der Federbelastung um die Federachse in der Richtung der angreifenden Kraft dreht. Der Stützarm hält bei der Federbelastung seine Lage ein.
Mit Hinsicht auf die Möglichkeit der Entstehung von eventuellen Spannungskonzentrationen, sollten die Arme einer Verdrehungsfeder die einfachste Form besitzen. Die Grundtypen der bei Verdrehungsfedern verwendeten Arme sind in einer Liste aufgeführt, aus welcher Sie nach der folgenden Abbildung die Ihnen befriedigende Lösung auswählen. Die Wahl der Durchführung der Federarme ist von der verlangten Weise der Federlagerung, den Federmaßen und der verlangten Entfernung des Angriffspunktes der Belastung von der Federachse abhängig, wobei der Stütz- und Arbeitsarm der Feder nicht typgleich sein müssen.
Grundtypen der Arme:
Bei den frei nur in einem Punkt abgestützten (belasteten) Armen tritt eine Armverbiegung bei der Federbelastung auf. Das hat eine Vergrößerung des tatsächlichen winkeligen Arbeitsausschlages zur Folge. Der Wert der Biegung des Armes nimmt mit der zunehmenden Entfernung des Angriffspunktes der Kraft von den Federwindungen (der Armeslänge) zu. Bei einer festen Einspannung der beiden Arme der Verdrehungsfeder ist der Arbeitswinkel nur durch eine Verdrehung der Federwindungen bestimmt. Durch die feste Einspannung der Arme wird die Genauigkeit der Berechnung erhöht und die Federfunktion verbessert. Beispiele der Befestigung sind in folgenden Abbildungen angeführt:
Einen solchen Belastungsmodus auswählen, der Ihrer Eingabe am besten
entspricht.
Minimales zulässiges Verhältnis zwischen der zulässigen Grenzspannung in der Biegung des gewählten Federwerkstoffes und der tatsächlichen maximalen Arbeitsspannung in Federwindungen bzw. in der Biegestelle auf dem Arm s8. Für eine nicht korrosionsaggressive Atmosphäre und 80 °C nicht überschreitende Arbeitstemperatur des unmittelbaren Umfeldes werden Werte des Sicherheitsmaßes der Zugfedern mit Rücksicht auf den Belastungsverlauf und Belastungsmodus im Bereich 1 ... 1.1 empfohlen. Die unter höheren Temperaturen oder in einem aggressiven Umfeld arbeitenden Federn sollten mit einem höheren Sicherheitsmaß entworfen werden. Auch bei den gegen die Richtung der Einrollung belasteten Federn (siehe [1.8]) sollte ein höherer Wert des Sicherheitsmaßes (cca. um 3-5 %) betrachtet werden.
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 zunehmenden 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 Biegeermüdungsfestigkeit der Feder an und der tatsächlichen maximalen Arbeitsspannung in den Federwindungen bzw. in der Biegestelle auf dem Arm s8. Für eine nicht korrosionsaggressive Atmosphäre und 80 °C nicht überschreitende Arbeitstemperatur des unmittelbaren Umfeldes werden Werte des Sicherheitsmaßes der Verdrehungsfedern mit Rücksicht auf den Belastungsverlauf und Belastungsmodus im Bereich 1.05 ... 1.25 empfohlen. Bei Festlegung des Sicherheitsmaßes ist auch die Eignung des ausgewählten Federwerkstoffes auf 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. Besonders die Korrosion vermindert wesentlich bei einer zyklisch beanspruchten Feder ihre Standzeit. Auch bei den gegen die Richtung der Einrollung belasteten Federn (siehe [1.8]) sollte ein höheres Sicherheitsmaß bei dem Federentwurf betrachtet werden. Weiter ist bei der Festlegung des Sicherheitsmaßes auch die Ausführung der Feder [1.7] zu erwägen. Bei Federn mit aufeinander anliegenden Windungen kommt es bei der Arbeitsfunktion zur gegenseitigen Reibung unter den Windungen, was eine Herabsetzung der Standzeit der Feder verursachen kann.
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 "Werkstoff" um.
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 sind außer 5 Benutzerwerkstoffen die angeführten, ausgewählten Werkstoffe aus einer Norm. Wenn Sie Werkstoffe aus einer anderen Norm verwenden möchten, 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 [1.19] bzw. [1.23]).
Die Eigenschaften des in den Zeilen [2.4, 2.6] beschriebenen ausgewählten Werkstoffes werden in fünf Stufen bewertet (exzellent, vorzüglich, gut, schlecht, unzureichend), die 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 den Entwurf und die 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 Drahtdurchmesser abhängig. [4.9]
Die maximale zulässige Biegespannung 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 gegebene Eingangsbedingungen viele verschiedene befriedigende Lösungen haben. Das Programm verfährt deshalb bei dem Entwurf iterativ und durchsucht für gegebene Eingangsbedingungen einzelne Federausführungen und wählt auf Grund eines gewählten qualitativen Kriteriums einen Satz von optimalen Lösungen aus. Die ausgewählten Lösungen sind dann in der Form einer aussortierten Tafel angeboten, aus welcher Sie den entsprechenden Entwurf auswählen können Die Angaben über die ausgewählte Feder sind dann sofort in das Ergebniskapitel zu übertragen.
In diesem Teil werden die verlangten Kraftarme der Feder eingegeben. In der ersten Eingangsspalte ist der verlangte Wert der Länge des gegebenen Federkraftarmes 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.
Der Arm der Arbeitskraft ist die Entfernung des Angriffpunktes der Kraft auf dem Arbeitsarm von der Federachse. Als Arm der Stützkraft ist die Entfernung der Befestigungsstelle (Stützstelle) von der Federachse gedacht. Mit Hinsicht auf die Konstruktionsausführbarkeit der Feder begrenzen die eingegebenen Maße der Kraftarme zusammen mit der ausgewählten Ausführung der Kraftarme [1.12, 1.15] zugleich auch den Federdurchmesser. Deshalb ist darauf zu achten, dass die Werte der Kraftarme nicht in einem gegenseitigen Widerspruch stehen, eventuell im Widerspruch mit Filtern [3.15, 3.16]. Wenn bei einer Feder beide Arme axial sind (Typ B), muss die Größe der Kraftarme identisch sein, und es wird also nur der Arm der Arbeitskraft eingegeben.
Dieser Teil dient zur Eingabe der Eingangsparameter, beschreibend die verlangte Größe der Federbelastung im Verlauf des Arbeitszyklus, 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 werden verlangte Werte der Winkelausschläge des Arbeitsarmes der Feder eingegeben, die diese Feder bei der im Absatz [3.4] spezifizierten Arbeitsbelastungen erreichen soll. In der ersten Eingangsspalte ist der verlangte Wert des Winkelausschlages des Armes angeführt, in der zweiten Spalte dann die zulässige Abweichung von dem verlangten Wert im Bereich 0-99 %. Wenn die entworfene Feder mit dem verlangten Wert des gegebenen Parameters genau übereinstimmen soll, ist die Nullabweichung einzugeben. Die Feder kann entweder für eine bekannte (verlangte) Abweichung des Arbeitsarmes der voll belasteten Feder oder für den Winkel des Arbeitshubes entworfen werden. Die den Anforderungen Ihrer Eingabe entsprechende Weise des Federentwurfes durch Einschalten des zutreffenden Umschalters am Anfang der Zeile [3.8] bzw.[3.9] wählen.
In diesem Teil sind verschiedene Filter und Randbedingungen der Entwurfberechnung 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, und 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 begrenzen möchten, (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.
Wenn Sie beim Entwurf einer Feder deren Länge begrenzen möchten, das Anhakfeld im Zeilenanfang anhaken, und in das Eingangsfeld den maximalen zulässigen Wert der durch Windungen gebildeten Länge der Feder eingeben (siehe. [4.14]).
Die Arbeitswindungen verändern bei einer funktionellen Verformung (Armausschwenkung) des Durchmessers der Verdrehungsfeder. Bei der Einstellung einer Feinteilung 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 empfohlene, sowohl durch die Normen als auch von den verschiedenen Herstellern festgelegten Werten begrenzt. Es entsteht so eine Menge von Randbedingungen, die bei dem Federentwurf zu berücksichtigen sind.
Bei einer genauen Einhaltung dieser Randbedingungen kann es dazu kommen, dass manche vorteilhafte Lösungen aus dem resultierenden Entwurf ausgeschieden werden, die zwar leicht eine der festgelegten Grenzen überschreiten, jedoch trotzdem noch akzeptabel sein können. Aus diesem Grund können Sie in dieser Zeile die prozentuell zugelassene Überschreitung der Grenzmaße der Feder, spezifizierendes Filter der Entwurfsberechnung einstellen. Sie bekommen so zwar mehrere befriedigende Lösungen, andererseits ist es nötig, die ausgewählte Lösung im Ergebniskapitel 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 in rot angezeigt.
Bei Federn mit einem Abstützungs- bzw. Arbeitsarm vom Typ B .. D (siehe [1.12, 1.15]) kommt es in der Biegestelle des Armes zu Spannungskonzentrationen, die wesentlich höher sein können als die berechnete Spannung in den Federwindungen. Die Größe dieser Konzentrationen hängt vom Wert des Biegehalbmessers des Armes ab. Je kleiner der Biegehalbmesser ist, desto größer sind die Werte der Spitzenspannungen in den Federarmen. Wenn die entworfene Feder in Hinsicht auf Festigkeitsanforderungen entsprechen soll, müssen eventuelle Spitzenspannungen in den Federarmen kleiner sein als die zugelassene Spannung. Diese Anforderung muss schon beim Definieren der Eingangsangaben der Entwurfsberechnung berücksichtigt werden. Eine der Möglichkeiten ist, dieses Filter einzuschalten. Die Berechnung führt dann bei dem Federentwurf auch eine vorläufige Kontrolle der Beanspruchung der Federarme durch, und entnimmt dem resultierenden Entwurf alle Lösungen, die den entsprechenden Anforderungen nicht genügen.
Ein Nachteil bei diesem Zugriff besteht in der Tatsache, dass die Entwurfsberechnung nur schwerlich die optimierte Größe des Biegehalbmessers der Arme entwerfen kann, von denen die Größe der eventuellen Spannungsspitzen abhängt. (Im Rahmen der Möglichkeiten entwirft die Berechnung die Biegehalbmesser der Arme als Zweifaches des Drahtdurchmessers.) Das kann dazu führen, dass irgendwelche vorteilhafte Lösungen dem resultierenden Entwurf entnommen werden, bei denen nur eine leichte Erhöhung des Armbiegehalbmessers reichen würde. Deshalb kann es manchmal mehr von Vorteil sein (besonders für die erfahrenen Benutzer), die Feder ohne dieses Filter zu entwerfen und die Festigkeitskontrolle der Spannungsspitzen in der Biegestelle auf dem Arm [4.44] nachträglich durch eine manuelle Einstellung der Biegehalbmesser in der Zeile [4.18] abzustimmen. Eine weitere Möglichkeit ist, die Verdrehungsfeder nach dem Ausschalten dieser Kontrolle zu entwerfen, mit einem genügend überdimensionierten Sicherheitsmaß [1.19, 1.23], so dass die eventuellen in den Federarmen entstehenden Spannungskonzentrationen auch gedeckt sind.
Wenn dieses Lösungsfilter auf den Wert "Ja" eingestellt ist, werden dem resultierenden Entwurf alle Lösungen entnommen, bei denen das berechnete Sicherheitsmaß ss kleiner ist, als das verlangte in der Zeile [1.19] angeführte. Bei zyklisch belasteten Federn werden auch die Lösungen entnommen, bei denen das berechnete Sicherheitsmaß sf kleiner ist, als das verlangte in der Zeile [1.23] 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, dieses Filter bei dem Entwurf auszuschalten und das Sicherheitsmaß der entworfenen Feder direkt visuell in der Entwurfstafel oder dem Ergebniskapitel in der Zeile [4.39], [4.44] bzw. [4.49] zu beurteilen.
In dieser Zeile wird das Kriterium eingestellt, nach dem die Qualität der einzelnen entsprechenden Lösungen des Federentwurfes 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:
In manchen Fällen kann es von Vorteil sein, den Entwurf nacheinander nach allen Kriterien durchführen zu lassen und die entworfenen Lösungen zu vergleichen.
Die Entwurfberechnung der Feder funktioniert nach einem Iterationsprinzip. In dieser Zeile können Sie die Anzahl der von der Berechnung 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 nehmen.
Die Geschwindigkeit der Entwurfsdurchführung ist mehr als von der ausgewählten Stufe der Iterationsanzahl durch die Leistungsfähigkeit des Computers und den Eingabetyp beeinflusst. 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 erheblich für eine unbestimmte Eingabe von Bedeutung, wo die sämtlichen oder meisten Parameter des Arbeitszyklus im Absatz [3.1, 3.4, 3.7] mit einer wesentlichen zugelassenen Abweichung eingegeben werden, und der verlangte Federdurchmesser nicht durch Filter in den Zeilen [3.12, 3.13, 3.14] 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 Entwurfberechnung automatisch durchzuführen, wie es dem bei anderen Berechnungen auf dem Blatt ist. Die Entwurfberechnung ist einmalig durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [3.23] gestartet. Von dem Berechnungsverlauf sind sie im Dialog informiert.
Nach dem Berechnungsabschluss ist die Tafel der entworfenen Lösungen ausgefüllt und aussortiert, und die Werte der geeignetesten (ausgewählten) Lösung werden automatisch in das Ergebniskapitel übertragen. Die Tafel wird nach dem in der Zeile [3.22] eingestellten Kriterium aussortiert. Die Tafel der entworfenen Lösungen kann jederzeit durch Auswahl eines anderen Sortierkriteriums wieder sortiert werden.
Wenn die Entwurfberechnung nicht erfolgreich war, und keine befriedigende Lösung durch diese gefunden wurde, wird diese Tatsache durch eine Warnungsmeldung angezeigt, und die Lösungstafel im ursprünglichen Zustand gelassen. Im folgenden Text werden einzelne Probleme angeführt, zu denen es eventuell 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 |
| d0 | Winkel im freien Zustand zwischen den Armen |
| a1 | Winkelausschlag des Arbeitsarmes der vorgespannten Feder. |
| a8 | Winkelausschlag des Arbeitsarmes der vollbelasteten Feder |
| Rf | Arm der Arbeitskraft |
| M1 | Minimale Arbeitsbelastung |
| M8 | Maximale Arbeitsbelastung |
| s8 | Die Spannung der vollbelasteten Feder |
| ss | Sicherheitsmaß der statisch belasteten Feder |
| sf | Sicherheitsmaß der zyklisch belasteten Feder |
| m | Gesamtgewicht der Feder |
| quality | Ein Vergleichswert, die Lösungsqualität in Hinsicht auf das ausgewählte qualitative Kriterium [3.22] ausdrückend. 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 [3.24], eventuell aus einer der Ergänzungsberechnungen [7,8,9] zu übertragen. Für eine leichtere Auswertung und Überprüfung der Werte der einzelnen Federparameter werden hier für einige Angaben deren empfohlene Grenzwerte angeführt (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, am Ende des Kapitels sind die Ergebnisse der durchgeführten Festigkeitskontrollen der Feder angeführt. Die Bedeutung der einzelnen Parameter der Feder ist aus der Abbildung ersichtlich.
Bei Bedarf, irgendwelche Parameter der entworfenen Feder abzustimmen (z. B. die entworfenen Federmaße zu runden), verwenden Sie zu diesem Zweck eine der Ergänzungsberechnungen [7,8,9]
Durch Drücken der Schaltfläche in dieser Zeile aktualisieren Sie die Parameterauflistungswerte durch die Angaben aus dem ausgewählten Federentwurf in der Lösungstabelle [3.24].
Es gibt das Verhältnis zwischen dem mittleren Federdurchmesser und dem Durchmesser des verwendeten Drahtes D/d an.
Die Federlänge ist durch die gegebene Windungsanzahl und den Windungsteilung bestimmt. Bei einer Feder mit aufeinanderliegenden Windungen ist die hier berechnete Länge nur ein theoretischer Wert. Durch unvollkommenes Aufliegen der Windungen und Herstellungstoleranzen des Durchmessers des verwendeten Drahtes ist die tatsächliche Länge des aus Windungen gebildeten Federteiles größer um etwa 3-5 %.
Mit Hinsicht auf die Konstruktionsausführbarkeit der entworfenen Feder ist bei Eingabe der Länge des Arbeits- bzw. Stützarmes darauf zu achten, dass die gewählte Armlänge ausreichend groß ist in Hinsicht auf die verlangte Armlänge der Abstützung- oder Arbeitskraft, die in der Zeile [4.3] angegeben ist. Bei Nichterfüllung dieser Bedingung ist das durch die Änderung der Farbe des Eingangsfeldes auf rot angezeigt. Bei Federn mit Armen von Typ B .. D (siehe [1.12, 1.15]) wird weiter empfohlen, die Minimallänge des Armes als ein Dreifaches des Biegehalbmesser auf dem Arm.
Bei Federn mit einem Abstützungs- bzw. Arbeitsarm vom Typ B .. D (siehe [1.12, 1.15]) kommt es in der Biegestelle des Armes zu Spannungskonzentrationen, die wesentlich höher sein können als die berechnete Spannung in den Federwindungen. Die Größe dieser Konzentrationen hängt vom Wert des Biegehalbmessers des Armes ab. Je kleiner der Biegehalbmesser ist, desto größer sind die Werte der Spitzenspannungen in den Federarmen. Wenn die entworfene Feder in Hinsicht auf die Festigkeitsanforderungen entsprechen soll, müssen eventuelle Spitzenspannungen in den Federarmen kleiner sein als die zugelassene Spannung. Deshalb ist es nötig, die Feder nach der Eingabe des Biegehalbmessers im Abteil [4.44] zu überprüfen.
Der Winkelausschlag (Drehung) des Arbeitsarmes a hängt theoretisch nur von der Federmomentkonstante ab und ist durch Verdrehung der Federwindungen unter Einfluss der einwirkenden Arbeitskraft gegeben. Tatsächlich gilt das nur bei den Federn mit fest eingespannten Armen (siehe [1.13]).
Bei Federn mit einem oder mit den beiden frei abgestützten Armen kommt es durch Einwirkung der Arbeitskraft zur zusätzlichen Biegung des Armes. Der tatsächliche (korrigierte) Winkelausschlag aC ist dann gegenüber dem theoretischen Wert größer um den gegebenen Biegewinkel des Armes. Der Wert der Biegung des Armes nimmt mit der zunehmenden Entfernung des Angriffspunktes der Kraft von den Federwindungen (mit der Armeslänge) zu.
Die Arbeitswindungen verändern bei einer funktionellen Verformung (Armausschwenkung) deren Durchmesser. Bei den in der Windungsrichtung belasteten Federn (siehe [1.8]) wird der Durchmesser kleiner, bei den gegen die Windungsrichtung belasteten größer. Wenn die Feder auf einem Bolzen oder in einer Buchse geführt werden soll ist es wichtig, den maximalen Außendurchmesser bzw. den minimalen Innendurchmesser der voll belasteten Feder zu kennen.
Bei Federn mit aufeinanderliegenden Windungen beansprucht in Windungsrichtung (siehe [1.7, 1.8]) kommt es bei einer Federbelastung zur Zunahme ihrer Länge. Die Maximallänge ist dann bei der voll belasteten Feder erreicht. Die hier angeführte Länge ist ein nur theoretischer Wert. Durch unvollkommene Berührung der Windungen und Herstellungstoleranzen des Durchmessers des verwendeten Drahtes ist die tatsächliche Länge des aus Windungen gebildeten Federteils größer um etw. 3-5 %.
Die Festigkeitskontrolle einer Verdrehungsfeder ist durchgeführt durch Vergleich der zugelassenen Grenzspannung in der Biegung des ausgewählten Werkstoffes [4.42] mit der korrigierten Federspannung im voll belasteten Zustand [4.41]. Wenn die entworfene Feder die Festigkeitskontrolle restlos bestehen soll, muss das resultierende Sicherheitsmaß [4.43] größer oder gleich dem verlangten Sicherheitsmaß [1.19] sein.
Die in einer Federwindung bei einer gegebenen Belastung entstehende Spannung ist auf einer einfachen Biegung der mittleren Faser berechnet. Vor allem durch die Windungsabrundung ist die tatsächliche Spannung in den Randfasern der Windung erheblich höher. Deshalb ist die Spannung durch einen Korrekturkoeffizienten (siehe die Zeile [1.5]) korrigiert.
Bei Federn mit einem Abstützungs- bzw. Arbeitsarm vom Typ B .. D (siehe [1.12, 1.15]) kommt es in der Biegestelle des Armes zu Spannungskonzentrationen, die wesentlich höher sein können als die berechnete Spannung in den Federwindungen. Die Größe dieser Konzentrationen hängt vom Wert des Biegehalbmessers des Armes [4.18] ab. Je kleiner der Biegehalbmesser ist, desto größer sind die Werte der Spitzenspannungen in den Federarmen. Die Festigkeitskontrolle einer Feder ist dann durch Vergleich der zugelassenen Grenzspannung in der Biegung des ausgewählten Werkstoffes durchgeführt [4.47] mit der maximalen Federspannung im voll belasteten Zustand [4.46]. Wenn die entworfene Feder die Festigkeitskontrolle restlos bestehen soll, muss das resultierende Sicherheitsmaß [4.48] größer oder gleich dem verlangten Sicherheitsmaß [1.19] sein. Wenn Spannungskonzentrationen in beiden Armen auftreten, ist der Arm mit einem ungünstigeren Spannungsverlauf zu kontrollieren.
Die Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Verdrehungsfeder ist durch Vergleich der maximalen für den gegebenen Belastungsverlauf festgelegten Ermüdungsfestigkeit des Werkstoffes [4.52] mit der korrigierten Federspannung bzw. in der Biegestelle des Armes der Feder im voll belasteten Zustand [4.50, 4.51]. Wenn die entworfene Feder die Festigkeitskontrolle restlos bestehen soll, muss das resultierende Sicherheitsmaß [4.53] größer oder gleich dem verlangten Sicherheitsmaß [1.23] sein. Auch bei der zyklisch belasteten Feder müssen die Bedingungen der "statischen" Festigkeitskontrolle [4.39, 4.44] selbstverständlich erfüllt sein.
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 Arbeitszustand befindet. Der Absatz [5.1] ist für die Berechnung des Winkelausschlages des Arbeitsarmes der von der gegebenen Arbeitskraft Fx beanspruchten Feder aX bestimmt. Der Absatz [5.6] ermöglicht, die Arbeitskraft bzw. das Moment festzustellen, der benötigt wird, um den Arbeitsarm der Feder auf einen gegebenen Winkelausschlag aX zu verdrehen.
In diesem Absatz sind die Parameter der Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Feder angeführt. Die Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Feder ist durch Vergleichung der maximalen für den gegebenen Belastungsverlauf [6.8] festgelegten Ermüdungsfestigkeit des verwendeten Werkstoffes mit der korrigierten Spannung in den Windungen bzw. in der Biegestelle auf dem Arm der Feder im voll belasteten Zustand [6.3]. Wenn die entworfene Feder die Festigkeitskontrolle restlos bestehen soll, muss das resultierende Sicherheitsmaß [6.9] größer oder gleich dem verlangten Sicherheitsmaß [1.23] sein.
Für die Zwecke der Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Feder ist die Federspannung mit dem größeren von den Korrekturkoeffizienten in den Zeilen [4.40, 4.45] korrigiert.
Die maximale zulässige Biegespannung 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 der Ergänzungsberechnungen aufgestellt. 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. Einige Maße bzw. Verhältnisse der einzelnen Federabmessungen sind durch empfohlene Werte sowohl aus den einschlägigen Normen (siehe zum Beispiel DIN 2088) als auch von den verschiedenen Herstellern begrenzt. Es entsteht so eine Menge von Randbedingungen, die bei dem Federentwurf zu berücksichtigen sind.
Deshalb können unterschiedlich empfohlene Werte der Grenzmaße verwendet werden, und Sie können diese in diesem Absatz nach Ihren Anforderungen anpassen. In der ersten Spalte sind bei einzelnen Parametern die Minimalwerte eingegeben, in der zweiten Spalte die Maximalwerte. Bei der Einstellung von lockeren Randbedingungen (durch Verkleinerung der minimalen bzw. Vergrößerung der maximalen Werte) wählt das Programm bei dem Federentwurf aus einem weiteren Bereich befriedigender 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 die Grenzmaße der Feder keine besonderen Anforderungen legen, verwenden Sie die vordefinierte Einstellung. Durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [3.7] 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 2088 ist das zugelassene Wickelverhältnis im Bereich 4 bis zu 20 angeführt.
Nach DIN 2088 maximal 360 mm.
Durch keine Norm festgelegt. Bei üblich hergestellten Federn gewöhnlich LK<10*D.
Nach DIN 2088 maximal 630 mm.
Durch keine Norm festgelegt, bei üblich hergestellten Federn mit Spiel zwischen den Windungen gewöhnlich 0.3*D < t < 0.5*D.
Bei den Verdrehungsfedern sind nach DIN 2088 minimal 2 aktive Windungen 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 Entwurfberechnung der Feder eingegriffen werden. In Hinsicht auf die Anforderungen der Aufgabe für Federberechnung ist diese Berechnung als eine innere Funktion des Blattes implementiert.
^