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antriebstechnik 9/2016

antriebstechnik 9/2016

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE Starke Alternative Diese Vorteile bieten hochwertige Flachdraht-Wellenfedern Elmar Kampmann Flachdraht-Wellenfedern bieten die beste Mischung aus Größe und Federkraft. Folgendes müssen Sie wissen, um mit diesen leistungsstarken Alternativen zu herkömmlichen Federn zu konzipieren. Selbst wenn Sie routinemäßig Federelemente in Ihren Entwürfen verwenden, besteht die Möglichkeit, dass Sie noch keine Wellenfedern ausprobiert haben. Sie sind nicht alleine. Die meisten Ingenieure haben viel Erfahrung mit herkömmlichen Spiral- und Tellerfedern, während Wellenfedern mit Einfach- und Mehrfachwindungen ein Buch mit sieben Siegeln bleiben. Dennoch sollten Wellenfedern, speziell diejenigen aus Flachdraht, aufgrund ihrer überzeugenden verfahrenstechnischen Vorteile besser bekannt sein. Der wichtigste dieser Vorteile ist ein ausgezeichnetes Kraft- Arbeitshöhen-Verhältnis. Gut konzipierte Wellenfedern können dieselben oder größere Kräfte erzeugen wie Spiralfedern, deren Arbeitshöhen bis zu zweimal so groß sind. Gute Wellenfedern erzeugen auch eine konstantere Kraft über ein breites Spektrum von Verformungen. Die Kennlinien weisen einen ausgeprägteren, linearen Bereich im Vergleich zu Spiral- oder Tellerfedern auf. Wellenfedern leiten die Federkräfte rein axial in die Anlageflächen. Es entstehen keine Torsionsbewegungen wie bei konventionellen Spiralfedern, welche in bestimmten Anwendungsfällen zu Problemen führen können. Zusätzlich zu den positiven Federeigenschaften haben Wellenfedern Montagevorteile. Wellenfedern mit einer Windung können sich in Bohrungen oder Gehäusen selbst zentrieren. Wellenfedern mit einer oder mehreren Windungen können leicht klemmend auf Wellen aufgesteckt werden. Zudem ersetzen Wellenfedern mit mehreren Windungen Tellerfederpakete, so dass ein aufwändiges Stapeln von Einzelfedern in der Montagelinie entfällt. Als hundertprozentiger Ersatz für herkömmliche Federelemente können Wellenfedern die Leistung von federbelasteten Komponenten verbessern. Aber um das technische Potential von Wellenfedern zu maximieren, sollten deren Eigenschaften in die Konstruktion mit einbezogen werden, wie z. B.: mehrlagigen Wellenfedern, welche typischerweise bei dynamischen Anwendungen zum Einsatz kommen. Um bei dynamischen Einsätzen die Biegespannungen pro Federwindung zu minimieren, benötigt die Federauslegung möglichst viele Windungen. Die daraus resultierende, größere Blockhöhe führt dann zwangsläufig zu größeren Arbeitshöhen. Um in dynamischen Anwendungen die Biegespannung zu minimieren, benötigt die Wellenfeder typischerweise mehr Windungen als in einer statischen Anwendung. Und mehr Windungen führen zu zusätzlicher Arbeitshöhe. Konstante Federkraft Federelemente zeigen typischerweise sowohl lineare als auch progressive Kraftverläufe. Ein linearer Verlauf kann auf dem Kraft- Weg-Diagramm der Feder graphisch dargestellt werden Im Allgemeinen gilt, je länger und flacher der lineare Bereich der Kurve ist, desto einfacher ist es, in der Federanwendung konstantere Vorspannkräfte bei wechselnden Arbeitshöhen zu erzielen. Wellenfedern haben einen klaren Vorteil beim linearen Verhalten der Kennlinie. Sie haben typischerweise einen linearen Verlauf der Kennlinie zwischen 30 und 70 % Durchbiegung. Viele Spiral-, aber vor allem Tellerfedern haben nur sehr eingeschränktes, lineares Verhalten. Konstante und absehbare Federkräfte können in vielen Anwen- Axiale Platzeinsparungen Die am unmittelbarsten erkennbare Eigenschaft von Wellenfedern ist, wie viel axialen Platz sie sparen können. In statischen Anwendungen benötigt eine Wellenfeder typischerweise nur 50 % der Arbeitshöhe einer Spiralfeder, um eine gleichwertige Kraft abzugeben. In dynamischen Anwendungen fällt die Bauraumeinsparung entsprechend geringer aus. Der Grund liegt hier im Design von Dipl. Ing (FH) Elmar Kampmann ist European Sales Director bei Rotor Clip Germany/Truwave Germany GmbH in Idstein 01 Spiralfedern erfordern zwei Mal so viel Arbeitshöhe wie eine Wellenfeder 64 antriebstechnik 9/2016

dungsgebieten ein großer Vorteil sein. Beispielsweise verwenden Gleitringdichtungen erfolgreich Wellenfedern, um den Dichtring, welcher Verschleiß unterliegt, über die Lebensdauer der Dichtung mit einer konstanten Kraft vorzuspannen. Eine möglichst konstante Federkraft zu haben, ermöglicht dem Dichtungskonstrukteur, den bestmöglichen Kompromiss zwischen übermäßigen Verschleiß durch zu hohe Vorspannkräfte und Undichtigkeiten durch zu geringe Vorspannkräfte zu finden. Vorteil bei Axialtoleranzen Ein weiterer, positiver Effekt des linearen Verhaltens der Kennlinie bezieht sich auf den Ausgleich von Axialtoleranzen in den Bohrungen und Gehäusen, die Federelemente enthalten. Eine Minimierung von Axialtoleranzen ist oftmals notwendig, um möglichst geringe Abweichungen in der Vorspannkraft beim Verbau von Federelementen zu erreichen. Durch die Verwendung von Wellenfedern mit einem ausgeprägten linearen Bereich in der Kennlinie besteht sehr häufig die Möglichkeit, größere Axialtoleranzen benachbarter Komponenten zu dulden. Diese Möglichkeit bietet einen wichtigen, aber oft nicht beachteten Kostenfaktor zugunsten von Wellenfedern. Keine Torsionsbelastungen Immer wenn Sie eine Spiralfeder auf die gewünschte Arbeitshöhe zusammendrücken, führt dies nicht nur zu einer rein axial wirkenden Federkraft, sondern auch zu Torsionsbewegungen. Diese Bewegungen können dazu führen, dass die vorgespannte Komponente bei der Nutzung einer Torsionsbelastung unterliegt, was potentiell zu übermäßigem Verschleiß führt. Viele Anwendungen, allen voran keramische Dichtungselemente können unter dem Problem der Torsionsbelastung negative Einflüsse erleiden. Wellenfedern haben dieses Problem nicht. Deren typische Wellenform kann nur rein axial zusammengedrückt werden, was allerdings zu einer leichten Vergrößerung des Durchmessers beim axialen Zusammendrücken führt. Größere Federwege Verglichen mit einer herkömmlichen Tellerfeder bieten Wellenfedern mit mehreren Windungen viel mehr Federweg. Eine einzelne Wellenfeder mit mehreren Windungen kann beispielsweise einen Stack mit mehreren gestapelten Tellerfedern ersetzen, um den nötigen Hub zu erreichen. Ein gestapeltes Tellerfeder-Paket durch eine Wellenfeder zu ersetzen, kann sowohl zu Kosten- als auch Qualitätsvorteilen führen. Eine einzelne Wellenfedern bietet nicht nur einen Einkaufsvorteil im Vergleich zu einem Tellerfederpaket, sondern auch eine Minimierung von Reklamationen, da in der Montagelinie lediglich ein Federlement anstelle von vielen, zu stapelnden Tellerfedern gehandhabt werden muss. Festlegen der erforderlichen Steifigkeit Die Steifigkeit einer Wellenfeder wird bestimmt durch die Abmessungen und Art des Flachdrahtmaterials, die Anzahl der Wellen pro Federwindung und die Windungsanzahl selbst. Sie können beispielsweise eine erforderliche Steifigkeit festlegen, indem Sie durch allgemein bekannte Designformeln die Anzahl der Wellen pro Windung optimieren. Eine Erhöhung der Anzahl der Wellen pro Umdrehung hat einen Einfluss auf die freie Höhe und den komprimierten Durchmesser der Wellenfeder. Mehr Windungen erhöht auch die Hysterese, da jede Welle eine mit ihr verbun dene Reibung hat. All diese Effekte können problemlos ausgeglichen werden. Sie können frei Höhe und 35. Motek Internationale Fachmesse für Produktionsund Montageautomatisierung Montageanlagen und Grundsysteme Handhabungstechnik Prozesstechnik zum Fügen, Bearbeiten, Prüfen und Kennzeichnen Komponenten für den Sondermaschinenbau Software und Dienstleistungen 02 Wellenfeder mit Einfachwindung (links) und Mehrfachwindung 10. – 13. OKT. 2016 STUTTGART www.motek-messe.de 03 Anwendung in einer Gleitringdichtung

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