Tellerfeder verstehen: Federkraft, Federweg und Schichtung
Eine Tellerfeder ist eine kegelförmige Ringscheibe, die sich unter axialer Belastung elastisch verformt. Sie kann hohe Kräfte bei vergleichsweise kleinem Federweg aufbringen. Durch das Zusammenstellen mehrerer Federn lassen sich Kraft und Weg an unterschiedliche Aufgaben anpassen. Typische Anwendungen sind Vorspannungen, Spannmechanismen und der Ausgleich begrenzter Bewegungen.
Für den Modellbau ist vor allem die Unterscheidung zwischen Federkraft und Federweg wichtig. Mehr Teller im Paket bedeuten nicht automatisch mehr nutzbaren Weg. Die Orientierung der einzelnen Federn entscheidet, ob sich idealisiert Kräfte oder Wege addieren. Außerdem braucht ein Federpaket geeignete Führung und definierte Anlageflächen.
Geometrie und Kennlinie der Einzelfeder
Wichtige Abmessungen sind Außen- und Innendurchmesser, Materialdicke sowie die unbelastete Höhe. Die lichte Kegelhöhe beschreibt bei einer einfachen Tellergeometrie den Höhenunterschied zwischen freier Höhe und Materialdicke. Sie darf nicht mit dem im Betrieb freigegebenen Federweg gleichgesetzt werden.
Die Kennlinie ordnet jedem Federweg eine Kraft zu. SCHNORR erläutert, dass die Geometrie den Verlauf von annähernd linear bis deutlich degressiv beeinflussen kann. Deshalb ist eine Tellerfeder nicht grundsätzlich mit einer konstanten Federrate zu beschreiben. Ein einzelner Katalogwert, etwa eine Kraft bei einer bestimmten Prüfhöhe, kennzeichnet nur diesen Punkt der Kurve.
Für eine Vorspannaufgabe braucht man mindestens zwei Zustände: den kleinsten und den größten vorgesehenen Arbeitsweg beziehungsweise die zugehörigen Einbauhöhen. Die Kräfte an beiden Grenzen müssen zur Funktion passen. Erst dann lässt sich beurteilen, ob das Bauteil ausreichend hält und ob die höchstzulässige Belastung eingehalten wird.
Vier Stationen: von der Einzelfeder zum Paket
Station 1 von 4
Die Kennlinie der einzelnen Tellerfeder ist der Ausgangspunkt.
- Die Kennlinie der einzelnen Tellerfeder ist der Ausgangspunkt.
- Wechselweise orientierte Federn addieren idealisiert ihre Wege.
- Gleichgerichtete Federn addieren idealisiert ihre Kräfte.
- Parallele Pakete in Reihe kombinieren Kraft und nutzbaren Gesamtweg.
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Reihenschaltung: Wege addieren sich
Bei einer Reihenschaltung werden gleiche Tellerfedern wechselweise orientiert. Jede Feder trägt idealisiert dieselbe axiale Kraft, während sich ihre Wege zum Gesamtweg addieren. Vier gleiche Federn können somit bei einer bestimmten Kraft ungefähr den vierfachen Weg einer einzelnen Feder bereitstellen.
Diese Aussage gilt für die ideale, gleichmäßige Verformung. Reibung, Fertigungstoleranzen und Führung beeinflussen das reale Verhalten. Ein langes Paket ist deshalb nicht allein anhand einer Stückzahl ausgelegt. Die Montage muss sicherstellen, dass die vorgesehenen Kontakte entstehen und das Paket nicht seitlich ausweicht.
Parallelschaltung: Kräfte addieren sich
Bei parallel geschichteten Tellerfedern liegen mehrere gleichgerichtete Teller ineinander. Sie werden gemeinsam um denselben Weg verformt. Idealisiert addieren sich dabei die Kräfte. Zwei gleiche Teller liefern bei einem bestimmten Weg ungefähr die doppelte Kraft einer Einzelfeder.
SCHNORR weist darauf hin, dass solche Pakete mehr innere Reibung aufweisen können. Beim Be- und Entlasten kann daher eine Hysterese auftreten: Für dieselbe Höhe ergibt sich abhängig von der Bewegungsrichtung nicht exakt dieselbe Kraft. Ein auf geringe Kraftstreuung angewiesener Mechanismus muss dieses Verhalten berücksichtigen.
Ein Rechenbeispiel für kombinierte Schichtung
Angenommen, eine ausgewählte Einzelfeder liefert laut Kennlinie bei 0,40 mm Federweg eine Kraft von 300 N. Das ist ein frei gewähltes Rechenbeispiel, keine Angabe zu einer bestimmten kaufbaren Feder. Daraus ergeben sich idealisiert folgende Kombinationen:
| Schichtung | Kraft am Beispielpunkt | Gesamtweg |
|---|---|---|
| Eine Feder | 300 N | 0,40 mm |
| Zwei parallel | 600 N | 0,40 mm |
| Vier in Reihe | 300 N | 1,60 mm |
| Drei Reihenpakete mit je zwei parallelen Federn | 600 N | 1,20 mm |
Für die letzte Variante werden sechs Teller benötigt. Allgemein gilt bei gleichen Federn und idealisierten Bedingungen: FPaket = nparallel · Feinzeln und sPaket = nReihe · seinzeln. Beide Beziehungen beziehen sich auf denselben Arbeitspunkt der Einzelfeder.
Die freie Bauhöhe lässt sich daraus nicht einfach als Stückzahl mal Einzelfederhöhe bestimmen. Ineinanderliegende Teller benötigen einen anderen Bauraum als wechselweise angeordnete. Für die tatsächliche Montage werden Zeichnung, Auflageform und Herstellerangaben herangezogen. Die verwendete Schichtung sollte bildlich dokumentiert werden.
Vorspannung und zulässiger Arbeitsbereich
Eine völlig unbelastete Feder und eine nahezu flachgedrückte Feder sind keine beliebig nutzbaren Endpunkte. SPIROL beschreibt für seine allgemeine Betrachtung einen Arbeitsbereich zwischen ungefähr 15 und 75 Prozent der vollständigen Verformung, in dem Messung und Theorie gut zusammenpassen. Die konkrete Auslegung muss trotzdem zur Feder und Belastungsart passen.
Bei dynamischer Belastung sind Unterlast, Oberlast und Lastwechselzahl wichtig. Eine hohe Anfangskraft allein sagt nichts über die Lebensdauer aus. Ein Paket, das häufig zwischen weit auseinanderliegenden Zuständen arbeitet, stellt andere Anforderungen als eine überwiegend statische Vorspannung. Die Herstellerdiagramme und die tatsächliche Belastungsfolge müssen zusammen bewertet werden.
Ein einfaches Planungsbeispiel: Soll sich eine Baugruppe im Betrieb um 0,30 mm bewegen, muss dieser Weg innerhalb des vorgesehenen Arbeitsbereichs liegen. Eine Vorspannung darf nicht so gewählt werden, dass die zusätzliche Bewegung das Paket bereits in einen unzulässigen Bereich drückt. Dafür werden Einbauhöhe und mögliche Toleranzen gemeinsam betrachtet.
Führung und Anlageflächen
Die Federn müssen axial geführt werden, ohne ihre notwendige Bewegung zu behindern. Die Führung kann innen oder außen erfolgen. Passende Spiele, Oberflächen und Schmierung werden anhand der Herstellerunterlagen festgelegt. Ein zufällig passender Gewindebolzen ist nicht automatisch eine geeignete dauerhafte Gleitführung.
Auch die Anlageflächen übertragen Kräfte und beeinflussen das Verhalten. Verkippte oder beschädigte Flächen können eine ungleichmäßige Belastung verursachen. Bei der Montage sind Grate und Fremdkörper zu vermeiden. Vorgespannte Pakete speichern Energie und müssen vor einer Demontage nach dem vorgesehenen Verfahren kontrolliert entlastet werden.
Prüfung in der Werkstatt
- Federbezeichnung, Abmessungen und Orientierung mit Zeichnung oder Stückliste vergleichen.
- Freie Pakethöhe und vorgesehene Einbauhöhe dokumentieren.
- Führung und Auflagen auf Beschädigung, Verschmutzung und passende Montage prüfen.
- Bei einer geeigneten Prüfeinrichtung Kraft und Höhe als Wertepaar erfassen.
- Belastungs- und Entlastungsrichtung sowie Messbedingungen notieren.
Die Federkraft aus einem Schraubenanzugsmoment abzuleiten, ist ohne belastbares Modell nicht zuverlässig. Gewinde- und Auflagereibung beeinflussen das Verhältnis zwischen Drehmoment und axialer Kraft. Ebenso beweist ein richtiges Höhenmaß allein nicht die richtige Kraft, wenn falsche Federn oder eine andere Schichtung eingebaut wurden.
Bei Spannmechanismen ist zusätzlich zu prüfen, wie die Federkraft am Werkstück ankommt. Hebel, Reibung und Anschläge können die Übertragung verändern. Der Artikel zur Maßhaltigkeit hilft bei der Einordnung der geometrischen Prüfung; für die Auswahl des Werkstoffzustands liefert der Beitrag zum Vergüten ergänzende Grundlagen.
Tellerfeder ist nicht gleich Sicherungsscheibe
Ähnlich aussehende Scheiben können völlig andere Aufgaben haben. Eine Tellerfeder mit definierter Kraft-Weg-Kennlinie darf nicht allein nach dem Aussehen durch eine andere gewölbte Scheibe ersetzt werden. Auch ein Sicherungsring übernimmt eine andere Funktion. Für Ersatzteile sind eindeutige Bezeichnung und technische Daten entscheidend.