Zylindrische schraubenförmige Zugfedern .

Die Berechnung ist für einen geometrischen- und Festigkeitsentwurf der zylindrischen, schraubenförmigen durch eine statische Belastung beanspruchten Zugfeder aus Drähten und Stangen des Kreisquerschnitts bestimmt. Außer dem Entwurf der geometrischen- und Festigkeitsparameter arbeitet die Berechnung mit CAD-Systemen zusammen. Das Programm löst folgende Aufgaben:

  1. Automatischer Entwurf der Feder.

  2. Auswahl einer optimalen Variante der Federauslegung in Hinsicht auf Festigkeit, Geometrie und Gewicht.

  3. Festigkeitskontrolle der Feder.

  4. Berechnung der Arbeitskräfte einer Feder mit bekannten Herstellungs- und Montagemaßen.

  5. Berechnung der Montagemaße für bekannte Belastungs- und Herstellungsparameter der Feder.

  6. Das Programm enthält eine Tafel mit üblich verwendeten Federwerkstoffen nach ISO, EN, ASTM/SAE, DIN, BS, JIS und anderen.

  7. Unterstützung von 2D und 3D CAD Systemen.

In der Berechnung sind benutzt Daten, Verfahren, Algorithmen und Angaben aus der Fachliteratur und den Normen EN 13906-2, DIN 2089-2, DIN 2097.

Steuerung, Struktur und Syntax der Berechnungen.

Die Informationen über die Syntax und die Bedienung der Berechnung finden Sie im Dokument "Steuerung, Struktur und Syntax der Berechnungen".

Projektinformationen.

Die Informationen über den Zweck, die Anwendung und die Bedienung des Absatzes "Projektinformation " finden Sie im Dokument "Projektinformationen".

Grundbegriffe.

Die Zugfeder ist eine zylindrische schraubenförmige Feder mit annähernd konstanter Steifigkeit, die geeignet ist, äußere voneinander in deren Achse angreifende Kräfte aufzunehmen. Die kaltgeformten Zugfedern werden vorrangig mit einer Vorspannung hergestellt, also mit aufeinander aufliegenden Arbeitswindungen. Wenn es aus technischen Gründen nötig ist, können Zugfedern ohne Vorspannkraft, mit einem Spiel zwischen den Arbeitswindungen verwendet werden. Die warmgeformten Federn sind immer ohne innere Vorspannung.

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
Grenzbelastung 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.

Zugfeder mit Vorspannung

Zugfeder ohne Vorspannung mit Spiel zwischen den Windungen

 

Mit Hinsicht auf die Beanspruchungsart der Feder können wir die Federn zwecks der Berechnung weiter unterscheiden, auf statisch oder mit einer kleineren Belastungsveränderlichkeit beanspruchte Federn mit einer 105Arbeitzyklen unterschreitenden Standzeit und auf zyklisch (dynamisch) beanspruchte Federn mit einer Anforderung einer Standzeit von 105 an. Mit Hinsicht auf einen erheblichen Einfluss der Form und Auslegung der Aufhängeösen auf Absenkung der Federstandzeit und auf Unmöglichkeit der vollkommenen Kugelstrahlung der Feder wird nicht empfohlen, bei Ermüdungsbelastung die Zugfedern möglichst zu verwenden.

Berechnungsverfahren.

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 Federauslegungen 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 Klammer ist die Absatznummer).

  1. Herstellungsparameter der Feder wählen [1.1].
  2. Betriebsparameter des Arbeitszyklus (Belastungsmodus, Temperatur und Aggressivität des Arbeitsumfeldes) und das verlangte Sicherheitsmaß einstellen [1.6].
  3. Wählen Sie die geeignete Herstellungsart der Feder. [2.1]
  4. Nach den empfohlenen Anwendungsbereichen [2.3] den Federwerkstoff auswählen [2.2].
  5. Verlangte Parameter des Arbeitszyklus (Belastung, Länge und Hub der Feder) eingeben [3.1].
  6. Benötigte Filter und Randbedingungen des Federentwurfes einstellen [3.7].
  7. Die Weise der Ergebnissortierung [3.18] wählen und die Schaltfläche für den Start der Entwurfsberechnung drücken [3.19].
  8. Aus der Tafel [3.20] eine befriedigende Lösung auswählen.
  9. Parameter der in Kapitel [4] entworfenen Feder kontrollieren.
  10. Bei einer Feder mit Aufhängeösen die Ösenbeanspruchung im Kapitel [6] kontrollieren.
  11. Wenn, irgendwelche Maße der Feder "fein" abzustimmen möchten, verwenden Sie zu ihrer Anpassung eine von den Ergänzungsberechnungen [7,8,9]. Nach Ausführung der Anpassungen sind deren Resultate zurück in das Kapitel [4] zu übertragen, und hier ist es wieder zu kontrollieren, ob die Feder der Festigkeitskontrolle [4.39] genügt.
  12. Für die Berechnung einer zyklisch belasteten Feder machen Sie vom Kapitel [10] Gebrauch.
  13. Die Tabelle mit der entworfenen Lösung unter einem neuen Namen speichern.

Wahl des Belastungsmodus, der betrieblichen- und Herstellungsparameter der Feder. [1]

In diesem Absatz die grundlegende, Weise und Modus der Belastung und Auslegung der Feder, und Weise der Federlagerung charakterisierenden Eingangsparameter, und Parameter des Arbeitsumfeldes eingeben.

1.2 Federauslegung.

Die Zugfedern werden in zwei grundlegenden Ausführungen verwendet:

  1. Die Feder mit Vorspannung.
    Die kaltgeformten Zugfedern werden vorrangig mit einer Vorspannung hergestellt, also mit aufeinander aufliegenden Arbeitswindungen. Die Vorspannung der Feder hat einen wesentlichen Einfluss auf eine Erhöhung der Tragfähigkeit der Feder. Für die Verformung einer Feder auf die verlangte Länge ist es nötig, eine höhere Belastung zu benutzen als bei einer Feder ohne Vorspannung. Die Vorspannung entsteht in den Federwindungen bei Aufwicklung der Feder und deren Größe ist abhängig von dem verwendeten Werkstoff der Feder, dem Wickelverhältnis und der Aufwicklungsweise. Bei Federn, auf Federwindeautomaten gewundenen Federn ist die Federvorspannung erheblich niedriger.
  2. Feder ohne innere Vorspannung.
    Wenn es aus technischen Gründen nötig ist, können Zugfedern ohne Vorspannkraft, mit einem Spiel zwischen den Arbeitswindungen verwendet werden. Die Windungsteilung der unbelasteten Feder ist dann gewöhnlich im Bereich 0.2*D < t < 0.4*D.
Hinweis: Die warmgeformten Federn (siehe [2.1]) sind immer ohne innere Vorspannung.

1.3 Auslegung der Federenden.

Die Zugfedern werden in vielen verschiedenen Ausführungen benutzt. Die am gangbarsten verwendeten Federenden sind in einer Auflistung angeführt, aus welcher eine befriedigende Lösung nach der Abbildung ausgewählt werden kann. Die Wahl der Ausführung der Federenden ist von der verlangten Halterung, den Maßen und dem Typ und Größe der Belastung abhängig.

Auslegung der Federenden.

Am häufigsten werden Aufhängeösen von einigen verschiedenen Typen als Halterung der Zugfedern verwendet (A .. J), die sich einerseits durch Höhe andererseits durch ihre Eigenschaften unterscheiden. Die Aufhängeösen sind zwar eine der vorteilhaftesten Lösungen in Hinsicht auf die Technologie, in Hinsicht auf Federtragfähigkeit bringen sie jedoch bestimmte Probleme. Bei Belastung der Feder entstehen Spannungskonzentrationen in der Aufhängeöse, die höher sein können als die berechnete Spannung in den Federwindungen. Diese Tatsache ist beim Federentwurf zu berücksichtigen. Bei Verwendung der Aufhängeösen wird empfohlen, die Feder mit einem ausreichenden Sicherheitsmaß [1.10] zu entwerfen und die Ösentragfähigkeit eventuell im Kapitel [6] zu kontrollieren. Die Größe der Spannungskonzentrationen hängt von Typ, Ausführung und Maßen der Öse ab und es ist sehr schwierig, diese theoretisch zu berechnen. In Hinsicht auf die in der Aufhängeöse entstehenden Biegespannungen [6.1] sind kleine Ösen (Typ I, J) oder Doppelösen (Typ D, E) am vorteilhaftesten. In Hinsicht auf die Konzentrationen der Verdrehungsspannung an der Übergangsstelle der Windung in die Öse [6.2] sind seitlich hochgestellte Ösen am vorteilhaftesten (Typ C,E,I). In Hinsicht auf die oben angeführten Tatsachen wird keinesfalls empfohlen, Zugfedern mit Aufhängeösen bei zyklischer (Ermüdungs-) Belastung zu verwenden.

Für einzelne Ausführungen der Aufhängesöse sind folgende empfohlene Werte der Höhe der Öse vorgeschrieben:

A) Halbe deutsche Öse: LH = {0,55 .. 0,8} Di

B,C) Ganze deutsche Öse: LH = {0,8 .. 1,1} Di

D,E) Ganze deutsche Öse doppelte Ausführung: LH ~ Di

F) Englische Öse: LH = {1,05 .. 1,2} Di

G,H) Hakenöse: 1,2 Di < LH < 30 d

I,J) Niedere Öse: 2 Di < LH < 0,6 d

K) Ganze deutsche schräg hochgestellte Öse : LH = {0,35 .. 0,9} Di

Bei Ausführung ohne Aufhängeösen (M .. O) sind Schlusswindungen zur Befestigung der Feder verwendet, deren Steigungswinkel bei einer funktionellen Verformung nicht geändert wird. Diese Typen der Zugfedern sind für die eventuelle Benutzung bei zyklischer (Ermüdungs-) Belastung geeignet.

Anmerkung: Die warmgeformten Federn (siehe [2.1]) werden üblicherweise ohne Aufhängeösen eingesetzt (Ausführung N).
Hinweis: Wenn der Filter in der Zeile [3.13] bei dem Automatischen Federentwurf [3] ausgeschaltet ist, ist der Typ der Öse durch das Programm auf Grund der berechneten Höhe der Öse entworfen und das ohne Rücksicht auf die Ausführung der Federenden, ausgewählt in dieser Zeile.

1.4 Wicklungssinn der Windung.

Bevorzugt wird bei den Federn die Rechtswicklung (in einer rechtsgewundenen Schraubenlinie) verwendet, die Linkswicklung ist nur zu verwenden , wenn es technisch unentbehrlich ist.

1.5 Anzahl der Endwindungen der Feder.

Die Endwindungen sind äußere mit den Arbeitswindungen achsgleiche Randwindungen der Feder, derer Steigungswinkel bei der funktionellen Federverformung nicht geändert wird. Die Endwindungen dienen bei den Federn ohne Aufhängeösen (Ausführung L .. O) zur Befestigung der Feder. Die Federn mit Aufhängeösen besitzen keine Endwindungen.

1.7 Betriebsmodus der Belastung.

Einen solchen Belastungsmodus auswählen, der Ihrer Eingabe am besten entspricht.

  1. Leichtbetrieb.
    Fließende Belastung ohne Stöße mit einem Sinusverlauf mit kleinen Verformungen oder mit einer kleinen Häufigkeit, wenig oder selten beanspruchte Federn mit einer Standzeit bis zu 1000 Zyklen. Diese Federn werden z.B. benutzt in Messgeräten, Sicherungs- und Sicherheitsanlagen usw.
  2. Mittelschwerbetrieb.
    Fließende Belastung mit einer kleineren oder mittleren Ungleichmäßigkeit, eine Belastung mit einer normalen Häufigkeit der Verformungen und einer Standzeit bis zu 105 Zyklen. Üblich in Werkzeugmaschinen, Erzeugnissen des Maschinenbaus oder elektrischen Bestandteilen verwendete Federn.
  3. Anspruchsvoller Betrieb.
    Belastung mit großen Stößen, Belastung mit einer hohen Häufigkeit der Verformungen oder mit einer heftigen Verformung in längeren Zeitperioden, Federn mit einer Anforderung auf lange Standzeit.

1.8 Betriebstemperatur.

Die Temperatur des Arbeitsumfeldes beeinflusst die Entspannung der Feder, die sich durch eine auf der Zeit abhängigen Abnahme der Federkraft bei ihrer Verformung auf der konstanten Länge zeigt. Diese Tatsache ist bei dem Entwurf der Feder und für die 80 °C überschreitende Temperatur 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.

Anmerkung: Bei dem eingeschalteten automatischen Entwurf des verlangten Sicherheitsmaßes [1.10] schätzt das Programm mit Rücksicht auf den ausgewählten Federwerkstoff den Einfluss der Arbeitstemperatur ab und berücksichtigt den Einfluss der Arbeitstemperatur auf das entworfene Sicherheitsmaß.

1.9 Betriebsumfeld.

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 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.

Anmerkung: Bei dem eingeschalteten automatischen Entwurf des verlangten Sicherheitsmaßes [1.10] schätzt das Programm mit Rücksicht auf den ausgewählten Federwerkstoff den Einfluss der korrosionsfördernden Aggressivität des Betriebsumfeldes ab und berücksichtigt ihren Einfluss auf das entworfene Sicherheitsmaß.

1.10 Verlangtes Sicherheitsmaß.

Minimales zulässiges Verhältnis zwischen der zulässigen Grenzspannung in der Verdrehung des gewählten Federwerkstoffes und der tatsächlichen maximalen Arbeitsspannung in den Federwindungen t8. 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 1.05 ... 1.3 empfohlen. Die unter höheren Temperaturen oder in einem aggressiven Umfeld arbeitenden Federn sollten mit einem höheren Sicherheitsmaß entworfen werden.

Anmerkung: Beim Anhaken eines Anhakfeldes ist der empfohlene Wert des Sicherheitsmaßes mit Rücksicht auf den Belastungsverlauf und Belastungsmodus, die Betriebsbedingungen und den ausgewählten Federwerkstoff automatisch entworfen (abgeschätzt).

1.11 Korrekturweise der Torsionsspannung.

Bei Schraubenfedern ist die in einer Federwindung bei einer gegebenen Belastung entstehende Spannung auf 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 einige unterschiedliche Korrekturfaktoren üblich benutzt werden, wählen Sie bitte aus der Liste einer Ihrer lokalen Gewohnheit oder Empfehlungen aus den Normen den entsprechenden Korrekturfaktor aus.

Anmerkung: Mit Rücksicht auf die Festigkeitskontrolle einer statisch belasteten Feder bietet eine Anwendung des Korrekturfaktors nach Bergsträsserr die sichersten Ergebnisse.
Tip: Bei statisch belasteten Federn wird die Korrektur in Regel nicht durchgeführt.

Wahl des Federwerkstoffes. [2]

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.

2.1 Herstellungsart.

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.

Anmerkung: Die warmgeformten Federn sind immer ohne innere Vorspannung (siehe [1.2]) und werden üblicherweise ohne Aufhängeösen eingesetzt (siehe [1.3] Ausführung N).
Hinweis: Bei der Änderung der Herstellungsart wird auch der im Absatz [3] auf dem Blatt "Einstellung" definierte Komplex der Randbedingungen (Grenzmaße der Feder) entsprechend eingestellt.

2.2 Werkstoff der Feder.

Den Werkstoff der Feder aus der Liste auswählen. In dem Verzeichnis werden ausgewählte Werkstoffe aus einer und derselben 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.

2.3 Anwendungsbereich des ausgewählten Werkstoffes.

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 [1.10]

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).

2.9 Mechanische und physikalische Eigenschaften.

Hier sind alle für die Berechnung nötigen, vom Durchmesser des verwendeten Drahtes unabhängigen Parameter des Werkstoffes angeführt.

2.13 Festigkeitscharakteristik des Werkstoffes.

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 in der Zeile [4.8] angeführten Drahtdurchmesser abhängig.

Entwurf der Feder. [3]

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, von wo Sie den Ihnen entsprechenden Entwurf ausgewählten können. Die Angaben über die ausgewählte Feder sind dann sofort in das Ergebniskapitel zu übertragen.

Hinweis: Die Entwurfsberechnung ist nur für statisch belastete Federn bestimmt oder für diese, mit einer niedrigeren Veränderlichkeit mit einer Anforderung auf eine Standzeit von weniger als 105 Arbeitszyklen. Wenn die Feder zyklisch (dynamisch) mit einer Anforderung auf eine längere Standzeit beansprucht werden soll, ist es nötig, die Feder mit einem ausreichend überdimensionierten Sicherheitsmaß [1.10] zu entwerfen, und die entworfene Feder dann im Kapitel [10] zu überprüfen.

3.1 Verlangte Parameter des Arbeitszyklus.

Dieser Teil dient der Eingabe der Grundparameter des Arbeitszyklus beschreibenden Eingangsangaben, denen die entworfene Feder genügen 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.

3.7 Filter des Lösungsentwurfes.

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 Auswertung der geeignetsten Entwürfe festlegen.

Empfehlung: Bei dem Entwurf empfehlen wir, Randbedingungen und Filter allmählich hinzuzufügen und die Bedingungen verschärfen. So stellen Sie leichter eine nicht existierende Lösung fest.

3.8 Maximaler zugelassener Federaußendurchmesser.

Wenn es notwendig ist, beim Entwurf einer Feder den Außendurchmesser zu begrenzen, das Anhakfeld im Zeilenanfang anhaken, und in das Eingangsfeld den maximalen zulässigen Wert des Außendurchmessers der Feder eingeben.

3.9 Minimaler zugelassener Federinnendurchmesser.

Wenn es notwendig ist, beim Entwurf einer Feder den Innendurchmesser zu begrenzen, das Anhakfeld im Zeilenanfang anhaken, und in das Eingangsfeld den minimalen zulässigen Wert des Innendurchmessers der Feder eingeben.

3.10 Zugelassene Verteilung der Arbeitswindungen.

Die Arbeitswindungen einer Feder sind solche Windungen, deren Steigungswinkel bei einer funktionellen Federverformung geändert wird. Bei Federn mit Aufhängeösen ist die Anzahl der Arbeitswindungen gleich der gesamten Anzahl der Federwindungen. Bei der Einstellung einer feineren Teilung prüft die Entwurfsberechnung eine größere Anzahl der Federauslegungen und kann so eine genauere Lösung von höherer Qualität entwerfen. Andererseits wird dadurch die Entwurfsberechnung der Feder selbstverständlich verlangsamt.

Hinweis: Bei Federn mit Aufhängeösen entscheidet die eingestellte Teilung der Windungen über die gegenseitige Lage der Aufhängeösen. Wenn sich die Ösen in einer Ebene befinden sollen, ist es nicht möglich, eine feinere Teilung zu benutzen als 0,5. Wenn die Aufhängung der Feder ermöglicht, gegenseitig rechtwinklige Ösen zu benutzen, ist es möglich, die Anzahl der Windungen auf das Vielfache von 0,25 zu teilen. Eine feinere Teilung wird bei den Zugfedern nicht verwendet.

3.11 Zugelassene Überschreitung der Federgrenzmaße

Bei einem Entwurf der Feder kann nicht ohne bestimmte Maßbegrenzungen vorgegangen werden. Irgendwelche Maße bzw. Verhältnisse der einzelnen Federabmessungen sind durch empfohlene sowohl von den 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 strikten 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 ein, die prozentuelle zugelassene Überschreitung der Grenzmaße der Feder spezifizierenden Filter der Entwurfsberechnung einstellen. Sie bekommen so zwar mehrere befriedigende Lösungen, andererseits ist es nötig, die ausgewählte Lösung visuell zu kontrollieren und die Verträglichkeit der eventuellen Überschreitung der Grenzmaßen der Federn zu beurteilen. Die Überschreitung der Grenzmaße ist im Ergebniskapitel durch eine Änderung der Farbe des Parameterwertes in rot angezeigt.

Anmerkung: Alle in der Berechnung angeführten maßlichten Randbedingungen sind im Kapitel [3.0] auf dem Blatt "Einstellung" angeführt, dort sind diese auch nach Ihren Anforderungen anzupassen. Für einen schnellen Übergang zum betreffenden Kapitel lässt sich die Schaltfläche neben der Eingangszelle verwenden.

3.12 Die Beanspruchung der Aufhängeöse vorläufig kontrollieren.

Bei Belastung der Feder mit Aufhängeösen entstehen bei einer Federbelastung in der Aufhängeöse Spannungskonzentrationen, die wesentlich höher sein können als berechnete Spannung in den Federwindungen. Deshalb wird empfohlen, diese Federn auch in Hinsicht auf die Beanspruchung der Aufhängeöse [6] zu kontrollieren. Wenn die entworfene Feder die Kontrollen der Tragfähigkeit der Aufhängeöse bestehen soll, ist diese Anforderung schon beim Definieren der Eingangsangaben der Entwurfsberechnung zu berücksichtigen. Eine der Möglichkeiten ist, diesen Filter einzuschalten. Die Berechnung führt dann bei dem Federentwurf auch eine vorläufige Kontrolle der Beanspruchung der Öse durch, und entnimmt dem resultierenden Entwurf alle Lösungen, die den entsprechenden Anforderungen nicht genügen. Wenn diese Kontrolle ausgeschaltet ist, ist es geeignet, die Feder mit einem genügend überdimensionierten Sicherheitsmaß zu entwerfen, so dass eventuelle in der Aufhängeöse entstehende Spannungskonzentrationen auch gedeckt werden.

Der Wert der Spannungskonzentrationen hängt unter anderem auch von den Maßen der Öse [6.2, 6.6] ab, die im Entwurfszeitpunkt nicht bekannt sind, und deren Wert von der Berechnung nur abgeschätzt werden kann. Deshalb ist es nötig, eine Nachkontrolle der Beanspruchung der Aufhängeöse in dem Kapitel [6] auch bei Einschaltung von diesem Filter durchzuführen.

Anmerkung: Dieser Filter hat bei Federn in Ausführungen K bis P [1.3] bei der gleichzeitigen Einschaltung des Filters in der Zeile 3.13 keine Bedeutung.

3.13 Die ausgewählte Auslegung der Federenden einhalten.

Wenn dieses Filter der Lösungen auf den Wert "Ja" eingestellt ist, sind nur Federn in einer in der Zeile [1.3] eingestellten Ausführung in den resultierenden Entwurf einbezogen. Im entgegengesetzten Fall entwirft die Berechnung den Typ der Aufhängeöse auf Grund der berechneten Höhe der Aufhängeöse ohne Rücksicht auf die Einstellung in der Zeile [1.3]. Bei dem Entwurf wird dann eine der 5 Ausführungen der Aufhängeösen nach der berechneten Höhe und den empfohlenen Grenzen ausgewählt:

1) Niedere Öse (Typ I) für LH < 0,55 Di

2) Halbe deutsche Öse (Typ A) für LH < 0,8 Di

3) Ganze deutsche Öse (Typ A) für LH < 1,1 Di

4) Englische Öse (Typ A) für LH < 1,2 Di

5) Hakenöse (Typ A) für LH < 1,2 Di

Anmerkung: Beim Ausschalten dieses Filter und gleichzeitigem Einschalten des Filters in der Zeile [3.12] verwenden alle entworfenen Lösungen mit der höchsten Wahrscheinlichkeit der niedrigen Öse (Typ I), die in Hinsicht auf die Biegebeanspruchung am günstigsten ist.

3.14 Das verlangte Sicherheitsmaß bei der Festigkeitskontrolle einhalten.

Wenn dieses 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 [1.10] 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 [4.43] zu beurteilen.

Tip: Bei dem ausgeschalteten Filter kann es oft von Vorteil sein, das Qualitätskriterium in der Zeile [3.15] auf den Wert "Abweichung von dem verlangten Sicherheitsmaß" einzustellen.

3.15 Qualitätskriterium.

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:

  1. Abweichung von den verlangten Maßen: Mittels dieses Kriteriums erhalten Sie Lösungen, bei denen die Parameter des Arbeitszyklus am mindesten von den im Absatz [3.1] verlangten Eingangsangaben unterscheiden. Dieses Kriterium ist auch zweckdienlich zu verwenden, wenn Sie die genauste Einhaltung der Parameter des Arbeitszyklus vom Entwurf verlangen.
  2. Mindestgewicht der Feder: Durch dieses Kriterium wählen Sie eine entsprechende Lösung mit dem kleinsten Federgewicht aus.
  3. Abweichung von dem verlangten Sicherheitsmaß: Unter Verwendung dieses Kriteriums erhalten Sie Lösungen, bei denen das berechnete Sicherheitsmaß dem verlangten, in der Zeile [1.10] angeführten Sicherheitsmaß am nächsten liegt. Dieses Kriterium lässt sich mit Vorteil besonders im Falle benutzen, wenn Sie eine optimierte Lösung in Hinsicht auf die Festigkeitskontrolle suchen.
  4. Kombiniert: Eine Kombination von allen vorgehenden Qualitätskriterien.

In manchen Fällen kann es von Vorteil sein, den Entwurf nach allen Kriterien nacheinander durchführen lassen und die entworfenen Lösungen vergleichen.

3.16 Iterationsanzahl des Entwurfes.

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 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 ausreichend 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.

3.17 Lösungsauswahl.

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 bei anderen Berechnungen auf dem Blatt ist. Die Entwurfsberechnung ist einmalig durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [3.19] 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 geeignetsten (ausgewählten) Lösung 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 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:

3.20 Tabelle der entworfenen Lösungen

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
m Gesamtgewicht der Feder
LH Höhengrenze der Aufhangöse. Der Anfangsbuchstabe gibt den Ausführungstyp der Öse an.
quality Einer die Lösungsqualität in Hinsicht auf das ausgewählte qualitative Kriterium [3.15] drückt den Vergleichswert aus. Je kleiner der angeführte Wert ist, desto besser ist der Entwurf.

 

Sammelübersicht der Parameter der entworfenen Feder. [4]

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 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 Absätzen, 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 abzustimmen (z. B. die entworfenen Federmaße abzurunden), verwenden Sie dazu eine der Ergänzungsberechnungen [7,8,9]

4.1 Aktualisierung der Ergebnisse aus dem ausgewählten Federentwurf.

Durch Drücken der Schaltfläche in dieser Zeile aktualisieren Sie die Parameterauflistungswerte durch die Angaben aus dem ausgewählten Federentwurf in der Lösungstabelle [3.20].

4.10 Wickelverhältnis

Es gibt das Verhältnis zwischen dem mittleren Federdurchmesser und dem Durchmesser des verwendeten Drahtes D/d an.

4.12 Länge des aktiven Federteiles.

Die nur durch Arbeitswindungen der Feder gebildete Länge, deren Steigungswinkel bei einer funktionellen Verformung der Feder geändert wird. Bei Federn mit Aufhängeösen ist dieser Federteil aus allen Windungen gebildet. Die Bedeutung dieses Begriffes ist aus der Abbildung ersichtlich.

4.14 Höhe der Aufhängeöse.

Die Höhe der Aufhängeöse ist von dem Ösentyp abhängig und für einzelne Ausführungen sind deren empfohlene Grenzen [1.3] vorgeschrieben. Bei Federn mit keinen Aufhängeösen versteht sich unter diesem Begriff eine Entfernung zwischen dem Ende der Arbeitswindungen und der Stelle der Anbringung der Feder (siehe Abbildung).

4.17 Parameter der unbelasteten Feder.

Parameter der unbelasteten Feder sind durch die Ausführung der Feder [1.2] bestimmt. Bei den vorgespannten Federn entsteht diese Vorspannung schon im Herstellungsprozess (bei Aufwicklung) der Feder und deren Größe ist vom verwendeten Federwerkstoff, Wickelverhältnis und von der Aufwicklungsweise abhängig. Die Feder wird als die mit den aufeinanderliegenden Windungen aufgewickelt, also die Teilung zwischen den Windungen ist gleich dem Drahtdurchmesser.

Bei Federn mit keiner Vorspannung ist die Feder mit einem Spiel zwischen den Windungen aufgewickelt. Die Teilung zwischen den Windungen einer unbelasteten Feder muss dann in en Grenzen nach der Zeile [3.5] im Blatt "Einstellung" sein. (In der Regel werden die Federn mit einer Teilung im Bereich 0.2*D < t < 0.4*D) entworfen.

4.36 Eigenfrequenz der Feder.

Bei den zyklisch beanspruchten Zugfedern kann es zu Resonanzerscheinungen kommen. Um diese zu verhindern, ist es nötig, dass die Feder mit einer von der Eigenfrequenz der Feder unterscheidenden Erregungsfrequenz belastet ist (um zirka +-15-20%).

4.37 Abwicklungslänge des Drahtes.

Bei Federn mit der Ausführung der Enden A .. K (siehe [1.3]) ist die Drahtlänge einschließlich der ungefähren Länge der Aufhängungsösen berechnet.

4.38 Federgewicht.

Bei Federn mit einer Ausführung der Enden A .. K (siehe [1.3]) ist das Federgewicht einschließlich des ungefähren Gewichtes der Aufhängeösen berechnet.

4.39 Festigkeitskontrolle der Feder.

Die Festigkeitskontrolle einer Feder ist durch Vergleich der zugelassenen Grenzspannung in der Verdrehung des ausgewählten Werkstoffes [4.42] mit der korrigierten Federspannung im voll belasteten Zustand durchgeführt[4.41]. Wenn die entworfene Feder die Festigkeitskontrolle restlos bestehen soll, muss das resultierende Sicherheitsmaß [4.43] größer oder gleich dem verlangten Sicherheitsmaß [1.10] sein.

Hinweis: Diese Überprüfung erwägt keine eventuellen Spannungskonzentrationen, die in der Aufhängeöse auftreten können. Hier wird nur die Verdrehungsspannung in Arbeitswindungen der Feder kontrolliert. Deshalb ist es empfehlenswert, bei Federn mit Aufhängeösen auch eine Festigkeitskontrolle im Kapitel [6] durchzuführen.

4.40 Korrekturkoeffizient der Schubspannung.

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 [1.11]) korrigiert.

Parameter der entworfenen Feder für spezifische Arbeitsbelastung oder Federlänge. [5]

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 der Länge Lx der von der gegebenen Arbeitskraft Fx beanspruchten Feder bestimmt. Der Absatz [5.6] ermöglicht, die für eine Ausfederung der Feder auf die gegebene Länge Lx nötige Arbeitskraft festzustellen.

Berechnung und Festigkeitskontrolle der Beanspruchung der Aufhängeöse der Feder. [6]

Bei Belastung der Feder mit Aufhängeösen entstehen bei einer Federbelastung in der Aufhängeöse Spannungskonzentrationen, die wesentlich höher sein können als die berechnete Spannung in den Federwindungen. Deshalb ist es empfehlenswert, diese Federn auch in Hinsicht auf die Beanspruchung der Aufhängeöse zu kontrollieren. Zu diesem Zweck dient gerade dieser Absatz.

Die Größe der möglichen Spannungskonzentrationen hängt von Typ, Ausführung und Maßen der Öse ab und es ist sehr schwierig, diese theoretisch zu berechnen. Trotzdem werden wenigstens theoretische Berechnungen verwendet, deren Aufgabe ist, Orientierungsinformationen über eventuelle Überschreitung der Festigkeitsgrenzen des gewählten Federwerkstoffes anzubieten. In Hinsicht auf die Ausführung der Aufhängeöse werden zwei grundlegende Festigkeitskontrollen durchgeführt:

6.1 Kontrolle der Aufhängeöse hinsichtlich der Biegung.

Die Größe der im Bogen der Öse entstehenden Biegespannungen ist von dem Halbmesser der Rundung der Aufhängungsöse rb [6.2] abhängig. Mit dem zunehmenden Halbmesser nimmt auch die Größe der Spannung zu und umgekehrt. Deshalb ist in Hinsicht auf die Biegebeanspruchung eine "Niedere Öse" am günstigsten (siehe [1.3] Typ I,J). Die eigentliche Kontrolle ist durch Vergleich der berechneten maximalen Biegespannung in der Aufhängungsöse [6.3] mit der zugelassenen Biegespannung [6.4] des Federwerkstoffes durchgeführt. Die Überschreitung der zugelassenen Spannung ist durch Änderung der Farbe des Parameterwertes in rot angezeigt. Eine eventuelle Überschreitung der Festigkeitsgrenze des Federwerkstoffes Rm ist dann durch eine Farbänderung des ganzen Feldes in rot angezeigt.

Anmerkung: Eine Doppelöse in der Ausführung D bzw. E [1.3] ist nicht nötig, in Hinsicht auf eine Biegebeanspruchung zu kontrollieren.

6.5 Spannungskontrolle im Übergangsbogen.

Die höchsten Spannungskonzentrationen entstehen bei einer Zugfeder in der Übergangsstelle der Windung in die Aufhängeöse. Die Größe dieser Spannungen ist von dem Halbmesser des Übergangsbogens rs [6.6] abhängig. Weil es sehr schwierig und in irgendwelchen Fällen auch praktisch unmöglich ist, theoretisch genaue Werte der Konzentrationen der tatsächlichen Spannungen zu berechnen, wird üblich ein Korrekturfaktor zur Berechnung der Spannungsspitze verwendet, der als Verhältnis des mittleren und inneren Halbmessers des Übergangsbogens gegeben ist. Allgemein kann gesagt werden, dass der Spannungswert im Übergangsbogen mit dem zunehmenden Bogenhalbmesser abnimmt und umgekehrt. Von den üblich verwendeten Ausführungen der Aufhängeösen sind also am vorteilhaftesten die "seitlich hochgestellten Ösen" (siehe [1.3] Typ C,E), bei denen ist der Übergang von der Windung in die Öse am zügigsten.

Die eigentliche Kontrolle ist durch Vergleich der berechneten maximalen Spannung im Übergangsbogen [6.7] mit der zugelassenen Verdrehungsspannung [6.4] des Federwerkstoffes. Eine Überschreitung der zugelassenen Spannung ist durch Farbänderung des Parameterwertes in rot angezeigt. Eine eventuelle Überschreitung der Festigkeitsgrenze des Federwerkstoffes in der Verdrehung Rms ist dann durch eine Farbänderung des ganzen Feldes in rot angezeigt.

Tip: Wenn die Aufhängeöse einer Kontrolle nicht genügt, die Halbmesser [6.2, 6.6] anpassen oder verwenden Sie einen geeigneteren Typ der Öse, eventuell eine Feder größeren Maßes.

Kontrollberechnung der Feder. [7]

In diesem Absatz ist die erste von den Ergänzungsberechnungen aufgestellt. Diese Berechnung verfügt über drei Funktionen.

  1. Berechnung der Parameter der Feder mit bekannten Maßen.
    Nach Eingabe der bekannten Parameter des Arbeitszyklus im Abteil [7.2] und der Federmaße in den Zeilen [7.7, 7.9, 7.17, 7.18, 7.21, 7.24] sind nachträglich automatisch andere Federparameter berechnet und die Festigkeitskontrolle durchgeführt.
    Die Angaben über die berechnete Feder können Sie durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [7.29] in das Ergebniskapitel [4] übertragen, wo einige weitere Parameter der Feder nachträglich berechnet sind. Für diese Berechnungsfunktion müssen alle in den Zeilen [7.9, 7.18, 7.21, 7.24] platzierten Anhakfelder ausgeschaltet sein.
  2. Anpassung und Abstimmung der von der Entwurfsberechnung entworfenen Federparameter.
    Gleichermaßen, wie die anderen Ergänzungsberechnungen ist es möglich, diese Berechnung zu einer feinen Abstimmung der Parameter der mit Hilfe der Entwurfsberechnung im Kapitel [3] entworfenen Feder zu verwenden (z. B. die Rundung der Federmaße). Die Angaben von der entworfenen Feder in die Berechnung durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [7.1] übertragen. Während der Durchführung von Anpassungen sind Sie über eventuelle Überschreitung empfohlener Werte eines der Federparameter informiert durch Veränderung der Farbe des Wertes dieses Parameters auf rot. Angepasste Angaben zurück in das Ergebniskapitel [4] mittels der Schaltfläche in der Zeile [7.29] übertragen. Es wird empfohlen, im Ergebniskapitel visuell zu kontrollieren, ob die angepasste Feder allen nötigen Kontrollen genügt, einschließlich einer eventuellen Kontrolle der Beanspruchung der Aufhängeöse [6]. Während der Berechnung sind die in den Zeilen [7.9, 7.18, 7.21, 7.24] aufgestellten Anhakfelder auszuschalten.
  3. Manueller Entwurf der Feder.
    Diese Berechnung ermöglicht den erfahrenen Benutzern, für gegebene Parameter des Arbeitszyklus, eine Feder manuell zu entwerfen. Bei dem Entwurf wird empfohlen, in dieser Reihenfolge vorzugehen: Feder-, Drahtdurchmesser, Windungsanzahl, Federlänge [7.7, 7.9, 7.21, 7.24]. Nach der Eingabe eines Parameters sind empfohlene Werte der folgenden Parameter nachträglich automatisch berechnet. Bei der Berechnung ist es von Vorteil, bei diesen Parametern die Anhakfelder einzuschalten. Das Programm entwirft dann gegebene Parameter automatisch auf Grund der Änderung eines höher aufgestellten Parameters. Für eine Erleichterung des Entwurfes sind die Eingangsfelder für den Federdurchmesser und die Windungsanzahl mit Laufleisten versehen, welche die Eingabe und Änderung dieser Parameterwerte beschleunigen. Im Verlauf des Entwurfes sind Sie über eine eventuelle Überschreitung der empfohlenen Werte eines der Parameter der Feder durch Veränderung der Farbe dieses Parameterwertes auf rot informiert. Die Angaben über die berechnete Feder können Sie durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [7.29] in das Ergebniskapitel [4] übertragen, wo einige weitere Parameter der Feder nachträglich berechnet sind. Bei einer Feder mit Aufhängeösen ist es empfehlenswert, auch die Kontrolle der Beanspruchung der Öse durchzuführen [6].

7.15 Parameter der unbelasteten Feder.

Die Parameter der unbelasteten Feder sind durch die Ausführung der Feder gegeben[1.2].

Bei Federn mit Vorspannung entsteht diese Vorspannung schon bei der Herstellung (bei Aufwicklung) der Feder und deren Größe ist von dem verwendeten Werkstoff der Feder, dem Wickelverhältnis und der Wickelweise abhängig. Die Feder wird mit den aufeinanderliegenden Windungen aufgewickelt, also die Teilung zwischen den Windungen ist gleich dem Drahtdurchmesser. Wenn der Wert der Vorspannung für die gegebene Feder Ihnen nicht bekannt ist (z. B direkt vom Hersteller), ist es möglich, die automatische Berechnung zu verwenden. Wenn das Abhakfeld in der Zeile [7.17] eingeschaltet ist, ist die Größe der Vorspannung automatisch nachträglich nach DIN 2089 berechnet.

Bei Federn ohne Vorspannung ist die Feder mit einem Spiel zwischen den Windungen aufgewickelt. Die Teilung zwischen den Windungen einer unbelasteten Feder muss dann in Grenzen nach der Zeile [3.5] im Blatt "Einstellung" sein. (In der Regel werden die Federn mit einer Teilung im Bereich 0.2*D < t < 0.4*D) entworfen. Wenn das Abhakfeld in der Zeile [7.18] eingeschaltet ist, ist die Teilung automatisch entworfen als der Mittelwert der Grenzmaße.

7.24 Höhe der Aufhängeöse.

Die Höhe der Aufhängeöse ist von dem Typ der Öse abhängig und für einzelne Ausführungen sind deren empfohlene Grenzen vorgeschrieben. (siehe [1.3]).

Berechnung der Arbeitskräfte der Feder. [8]

Die in diesem Absatz aufgestellte Berechnung verfügt über zwei Funktionen.

  1. Berechnung der Arbeitskräfte der Feder mit bekannten Maßen.
    Nach der Eingabe der Parameter des Arbeitszyklus im Abteil [8.2] und der Federmaße in den Zeilen [8.7, 8.9, 8.11, 8.13] sind nachträglich automatisch für die Ausfederung auf die verlangten Längen nötige Arbeitskräfte berechnet und die Festigkeitskontrolle einer so belasteten Feder durchgeführt. Die Angaben über die berechnete Feder können Sie durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [8.27] in das Ergebniskapitel [4] übertragen, wo einige weitere Parameter der Feder nachträglich berechnet sind.
  2. Anpassung und Abstimmung der von der Entwurfsberechnung entworfenen Federparameter.
    Gleichermaßen, wie bei den anderen Ergänzungsberechnungen ist es möglich, diese Berechnung zu einer Feinabstimmung der Parameter der mit Hilfe der Entwurfberechnung im Kapitel [3] entworfenen Feder zu verwenden (z. B. die Rundung der Federmaße). Die Angaben von der entworfenen Feder in die Berechnung durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [8.1] übertragen. Während der Durchführung von Anpassungen sind Sie über eventuelle Überschreitung empfohlener Werte eines der Federparameter informiert durch Veränderung der Farbe des Wertes dieses Parameters auf rot. Angepasste Angaben zurück in das Ergebniskapitel [4] mittels der Schaltfläche in die Zeile [8.27] übertragen. Es wird empfohlen, im Ergebniskapitel visuell zu kontrollieren, ob die angepasste Feder allen nötigen Kontrollen genügt, einschließlich einer eventuellen Kontrolle der Beanspruchung der Aufhängeöse [6].

8.13 Höhe der Aufhängeöse.

Die Höhe der Aufhängeöse ist von dem Typ der Öse abhängig und für einzelne Ausführungen sind deren empfohlene Grenzen vorgeschrieben. (siehe [1.3]).

8.16 Parameter der unbelasteten Feder.

Die Parameter einer unbelasteten Feder sind gegeben durch die Ausführung der Feder [1.2].

Bei Federn mit Vorspannung entsteht diese Vorspannung schon bei der Herstellung (bei Aufwicklung) der Feder und deren Größe ist von dem verwendeten Werkstoff der Feder, dem Wickelverhältnis und der Wickelweise abhängig. Die Feder wird mit den aufeinanderliegenden Windungen aufgewickelt, also die Teilung zwischen den Windungen ist gleich dem Drahtdurchmesser. Wenn der Wert der Vorspannung für die gegebene Feder Ihnen nicht bekannt ist (z. B direkt vom Hersteller), ist es möglich, die automatische Berechnung zu verwenden. Wenn das Abhakfeld in der Zeile [8.18] eingeschaltet ist, ist die Größe der Vorspannung automatisch nachträglich nach DIN 2089 berechnet.

Bei Federn ohne Vorspannung ist die Feder mit einem Spiel zwischen den Windungen aufgewickelt. Die Teilung zwischen den Windungen einer unbelasteten Feder muss dann in Grenzen nach der Zeile [3.5] im Blatt "Einstellung" sein. (In der Regel werden die Federn mit einer Teilung im Bereich 0.2*D < t < 0.4*D) entworfen. Wenn das Abhakfeld in der Zeile [8.18] eingeschaltet ist, ist die Teilung automatisch entworfen als der Mittelwert der Grenzmaße.

Berechnung der Arbeitslängen der Feder. [9]

Die in diesem Absatz aufgestellte Berechnung verfügt über zwei Funktionen.

  1. Berechnung der Parameter der Feder von bekannten Maßen für eine gegebene Belastung.
    Nach der Eingabe der Federbelastung im Abteil [9.2] und der Federmaße in den Zeilen [9.6, 9.7, 9.10, 9.12] sind automatisch nachträglich die anderen Federparameter berechnet, und die Festigkeitskontrolle durchgeführt. Die Angaben über die berechnete Feder können Sie durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [9.27] in das Ergebniskapitel [4] übertragen, wo einige weitere Parameter der Feder nachträglich berechnet sind.
  2. Anpassung und Abstimmung der von der Entwurfberechnung entworfenen Federparameter.
    Gleichermaßen, wie bei den anderen Ergänzungsberechnungen ist es möglich, diese Berechnung zu einer Feinabstimmung der Parameter der mit Hilfe der Entwurfberechnung im Kapitel [3] entworfenen Feder zu verwenden (z. B. die Rundung der Federmaße). Die Angaben von der entworfenen Feder in die Berechnung durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [9.1] übertragen. Während der Durchführung von Anpassungen sind Sie über eventuelle Überschreitung empfohlener Werte eines der Federparameter informiert durch Veränderung der Farbe des Wertes dieses Parameters auf rot. Angepasste Angaben zurück in das Ergebniskapitel [4] mittels der Schaltfläche in der Zeile [9.27] übertragen. Es wird empfohlen, im Ergebniskapitel visuell zu kontrollieren, ob die angepasste Feder allen benötigten Kontrollen genügt, einschließlich einer eventuellen Kontrolle der Beanspruchung der Aufhängeöse.

9.12 Höhe der Aufhängeöse.

Die Höhe der Aufhängeöse ist von dem Typ der Öse abhängig und für einzelne Ausführungen sind deren empfohlene Grenzen vorgeschrieben. (siehe [1.3]).

9.14 Parameter der unbelasteten Feder.

Die Federparameter ohne Belastung sind gegeben durch die Ausführung der Feder [1.2].

Bei Federn mit Vorspannung entsteht diese Vorspannung schon bei der Herstellung (bei Aufwicklung) der Feder und deren Größe ist von dem verwendeten Werkstoff der Feder, dem Wickelverhältnis und der Wickelweise abhängig. Die Feder wird mit den aufeinanderliegenden Windungen aufgewickelt, also die Teilung zwischen den Windungen ist gleich dem Drahtdurchmesser. Wenn der Wert der Vorspannung für die gegebene Feder Ihnen nicht bekannt ist (z. B direkt vom Hersteller), ist es möglich, die automatische Berechnung zu verwenden. Wenn das Abhakfeld in der Zeile [9.16] eingeschaltet ist, ist die Größe der Vorspannung automatisch nachträglich nach DIN 2089 berechnet.

Bei Federn ohne Vorspannung ist die Feder mit einem Spiel zwischen den Windungen aufgewickelt. Die Teilung zwischen den Windungen einer unbelasteten Feder muss dann in Grenzen nach der Zeile [3.5] im Blatt "Einstellung" sein. (In der Regel werden die Federn mit einer Teilung im Bereich 0.2*D < t < 0.4*D) entworfen. Wenn das Abhakfeld in der Zeile [9.16] eingeschaltet ist, ist die Teilung automatisch entworfen als der Mittelwert der Grenzmaße.

Berechnung der zyklisch belasteten Feder. [10]

Die Standzeit der zyklisch (dynamisch) belasteten Zugfedern, mit einer Anforderung auf die Standzeit von mehr als 105 Arbeitszyklen, ist durch die Form der Aufhängeösen erheblich beeinflusst. Bei Belastung der Feder entstehen zusätzliche Spannungen besonders an den Stellen, wo Arbeitswindungen in die Aufhängeöse übergehen, sodass die Spannung dort erheblich größer ist, als die in den Arbeitswindungen. Die Größe der möglichen Spannungskonzentrationen hängt von Typ, Ausführung und Maßen der Öse ab und es ist sehr schwierig (und in manchen Fällen auch praktisch unmöglich), diese theoretisch zu berechnen. Außerdem verhindert die Windungsentfernung in der Regel die vollkommene Kugelstrahlung der Feder. Aus diesen Gründen wird es nicht empfohlen, die Zugfedern bei zyklischen Beanspruchungen zu verwenden. Wenn es nötig ist, eine Zugfeder bei der zyklischen Beanspruchung zu verwenden, ist es geeignet, bei der Feder keine Aufhängeösen zu verwenden, sondern eine andere Ausführung der Federhalterung auszuwählen (siehe [1.3] Typ M,N,O).

Für die Berechnung und Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Zugfeder ist gerade dieser Absatz bestimmt. Wenn Sie sich nur die, mittels der Entwurfsberechnung im Kapitel [3] entworfene Feder kontrollieren wollen, übertragen Sie die Angaben über die entworfene Feder in die Berechnung durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [10.1]. Die resultierenden Angaben über die berechnete Feder können Sie durch Drücken der Schaltfläche in der Zeile [10.38] in das Ergebniskapitel [4] übertragen, wo einige weitere Parameter der Feder nachträglich berechnet sind.

Die im Kapitel [3] entworfenen, in Hinsicht auf statische Festigkeitskontrolle optimierten Federn, genügen wahrscheinlich nicht der dynamischen Kontrolle. Wenn Sie den automatischen Entwurf [3] auch für eine zyklisch belastete Feder verwenden wollen, halten Sie folgende Empfehlungen ein:

Hinweis: Die hier verwendete Berechnung führt die (Ermüdungs-) Festigkeitskontrolle nur für die Spannung in den Arbeitswindungen durch und berücksichtigt auf keine Weise die eventuellen Spannungskonzentrationen in der Aufhängeöse.

10.3 Betriebsmodus einer zyklisch belasteten Feder.

Einen solchen Belastungsmodus auswählen, der Ihrer Eingabe am besten entspricht.

  1. Fließende Belastungen.
    Fließende Belastung ohne Stöße mit einem Sinusverlauf.
  2. Belastung mit leichten Stößen.
    Belastung mit einer kleineren oder mittleren Ungleichmäßigkeit, wenn sich der Belastungsverlauf nach einer von der Sinuslinie wesentlich abweichenden Kurve ändert.
  3. Belastung mit starken Stößen.
    Mit großen Stößen, mit einem unstetigen Belastungsverlauf belastete Federn, Federn mit einer heftigen Verformung in längeren oder unregelmäßigen Zeitperioden, Federn, bei denen zu gegenseitigen Stößen durch Federentlastung kommt oder kommen kann.

10.4 Verlangte Standzeit der Feder.

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.

10.5 Verlangtes Sicherheitsmaß.

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 Arbeitstemperatur des unmittelbaren Umfeldes werden Werte des Sicherheitsmaßes der Zugfedern 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 Dauerbeanspruchung zu erwägen. Bei den für die 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 die Standzeit.

Anmerkung: Beim Anhaken eines Anhakfeldes ist der empfohlene Wert des Sicherheitsmaßes mit Rücksicht auf den Belastungsverlauf und Belastungsmodus, die Betriebsbedingungen und den ausgewählten Federwerkstoff automatisch entworfen (abgeschätzt).

10.6 Die Korrekturweise der Torsionsspannung.

Bei Schraubenfedern ist die in einer Federwindung bei einer gegebenen Belastung entstehende Spannung auf die einfache Verdrehung berechnet. Durch eine Windungsabrundung kommt es aber in der Windung 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 Ihrer lokalen Gewohnheiten oder Empfehlungen aus den Normen den entsprechenden Korrekturfaktor aus.

Anmerkung: Mit Rücksicht auf die Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Feder bietet eine Anwendung des Korrekturfaktors nach Wahl die sichersten Ergebnisse.

10.17 Höhe der Aufhängeöse.

Die Höhe der Aufhängeöse ist von dem Typ der Öse abhängig und für einzelne Ausführungen sind deren empfohlene Grenzen vorgeschrieben. (siehe [1.3]).

10.19 Parameter der unbelasteten Feder.

Die Parameter einer unbelasteten Feder sind bestimmt durch die Ausführung der Feder [1.2].

Bei Federn mit Vorspannung entsteht diese Vorspannung schon bei der Herstellung (bei Aufwicklung) der Feder und deren Größe ist von dem verwendeten Werkstoff der Feder, dem Wickelverhältnis und der Wickelweise abhängig. Die Feder wird mit den aufeinanderliegenden Windungen aufgewickelt, also die Teilung zwischen den Windungen ist gleich dem Drahtdurchmesser. Wenn der Wert der Vorspannung für die gegebene Feder Ihnen nicht bekannt ist (z. B direkt vom Hersteller), ist es möglich, die automatische Berechnung zu verwenden. Wenn das Abhakfeld in der Zeile [10.21] eingeschaltet ist, ist die Größe der Vorspannung automatisch nachträglich nach DIN 2089 berechnet.

Bei Federn ohne Vorspannung ist die Feder mit einem Spiel zwischen den Windungen aufgewickelt. Die Teilung zwischen den Windungen einer unbelasteten Feder muss dann in Grenzen nach der Zeile [3.5] im Blatt "Einstellung" sein. (In der Regel werden die Federn mit einer Teilung im Bereich 0.2*D < t < 0.4*D) entworfen. Wenn das Abhakfeld in der Zeile [10.21] eingeschaltet ist, ist die Teilung automatisch entworfen als der Mittelwert der Grenzmaße.

10.28 Festigkeitskontrolle der Feder.

Die Festigkeitskontrolle einer zyklisch belasteten Feder ist durch Vergleichung der maximalen für den gegebenen Belastungsverlauf [10.36] festgelegten Ermüdungsfestigkeit des verwendeten Werkstoffes mit der korrigierten Federspannung im voll belasteten Zustand [10.31]. Wenn die entworfene Feder die Festigkeitskontrolle restlos bestehen soll, muss das resultierende Sicherheitsmaß [10.37] größer oder gleich dem verlangten Sicherheitsmaß [10.5] sein.

10.34 Grenzwert der Ermüdungsfestigkeit.

Die maximale zulässige Verdrehungspannung des Federmaterials für die schwellende Belastung und die unbegrenzte Standzeit.

10.36 Ermüdungsfestigkeit der Feder für die gegebene Belastung.

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.

Grafische Ausgabe, CAD - Systeme.

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".

Einstellung der Berechnungen, Sprachenänderung.

Die Informationen über die Einstellung der Berechnungsparameter und der Spracheneinstellung finden Sie im Dokument "Einstellung der Berechnungen, Sprachenänderung".

Anhänge - Diese Berechnung:

3.0 Federgrenzmaße.

Bei einem Entwurf der Feder kann nicht ohne bestimmte Maßbegrenzungen vorgegangen werden. Manche Maße bzw. Verhältnisse der einzelnen Federabmessungen sind durch empfohlene Werte sowohl von den einschlägigen Normen (siehe zum Beispiel DIN 2097) 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 Federgrenzmaße verwendet werden, und Sie können jetzt 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 freieren Randbedingungen (durch Minderung der minimalen bzw. Vergrößerung der maximalen Werte) wählt das Programm bei dem Federentwurf aus einem weiteren Bereich befriedigende 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 [3.7] stellen Sie in den Eingangsfeldern die Standardwerte der entsprechenden Menge der Randbedingungen für üblich gelieferte Federn ein.

Anmerkung: In der eigentlichen Berechnung ist eine Überschreitung der Grenzmaße im Ergebniskapitel durch eine Änderung der Wertfarbe des Parameters in rot angezeigt.

3.1 Wickelverhältnis

Es gibt das Verhältnis zwischen dem mittleren Federdurchmesser und dem Durchmesser des verwendeten Drahtes D/d an. Nach DIN 2097 ist das zugelassene Wickelverhältnis im Bereich 4 bis zu 20 angeführt.

3.2 Maximaler Außendurchmesser der Federn.

Nach DIN 2097 maximal 200 mm. Üblich eingeliefert werden auch Federn von größeren Durchmessern.

3.3 Das Verhältnis der freien Länge und des Federdurchmessers.

Durch keine Norm festgelegt. Bei üblich hergestellten Federn gewöhnlich 1 bis zu 15.

3.4 Maximale freie Länge der Feder.

Nach DIN 2097 maximal 1500 mm.

3.5 Verhältnis der Gewindeteilung und des Federdurchmessers im Freizustand.

Durch keine Norm festgelegt, bei üblich hergestellten Federn ohne Vorspannung aus dem gewöhnlich durch Ziehen verfestigten oder veredelten Draht 0.2*D < t < 0.4*D.

Anmerkung: Diese Randbedingung ist nur für Zugfedern ohne Vorspannung von Bedeutung [1.2]. Bei Federn mit Vorspannung liegen die Windungen aufeinander, die Teilung ist also dem Drahtdurchmesser gleich.

3.6 Minimale Anzahl der wirksamen Windungen.

Bei den Zugfedern sind nach DIN 2097 minimal 3 aktive Windungen vorgeschrieben.

Benutzerspezifische Anpassungen der Berechnung.

Die allgemeinen Informationen darüber, wie man die Berechnungshefte ändern und erweitern kann, sind im Dokument "Benutzerspezifische Anpassungen der Berechnung" aufgeführt.

Anhänge - Diese Berechnung:

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.