Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern - drehbelastbare gewundene Metallfeder

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Schenkelfeder mit tangentialen Schenkeln und Federenden als Hakenöse und abgewinkelten Haken

Zylindrische Schenkelfedern oder auch bezeichnet als Drehfedern, Torsionsfedern, Schraubendrehfedern sind weit verbreitete und vielseitige Maschinenelemente Bauteile in der Welt der Mechanik und der Federtechnik.
Der Aufbau einer zylindrischen Schenkelfeder besteht aus einem Draht, der in gleichmäßigen Windungen schraubenförmig um eine zentrale Achse gewickelt ist.

Schenkelfedern werden verwendet, um eine rotierende Bewegung, ein Drehmoment oder eine Kraft aufzunehmen, abzugeben und die Bewegung der Schenkel zu führen. Schenkelfedern zeichnen sich durch die Fähigkeit aus Auslenkungen, Kräfte bzw. Drehmomente, um eine Drehachse aufzunehmen, abzugeben und die Drehbewegung zu führen.

Schenkelfedern besitzen einen meist zylindrischen Federkörper an dem zwei Schenkel angeordnet sind.
Die Schenkel können tangential, radial oder axial angeordnet sein, wobei jeder Schenkel eine unterschiedliche Anordnung aufweisen kann. Am Ende der beiden Schenkel können unterschiedliche Federendenformen angebracht sein z.B. gerader Schenkel, Hakenform, Ösenform rund oder eckig.
Die Begriffe "Schenkelfeder", "Drehfeder" und "Torsionsfeder" beziehen sich auf das gleiche Bauteil.



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Schenkelfeder mit tangentialem Schenkel und nach innengerichtetem Schenkel

Themen:

1. Schenkelfederwissen - Wissen, Konstruktion, Auslegung, Berechnung - Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern ...
2. RS-Helix - Berechnungssoftware zur Berechnung von Schenkelfedern ...



Herstellung und Fertigung von Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern:

Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern werden auf sogenannten Drahtbiege- oder Drahtwindeautomaten hergestellt. Je nach Durchmesser und Werkstoff der Drahtbiegeteile werden diese kalt- oder warmverformt verarbeitet. Bei kleinen Drahtdurchmessern werden die Drahtbiegeteile, Drahtformfeder und Biegeteile auf speziellen CNC-gesteuerten Einkopf- oder Mehrkopfdrahtbiegemaschinen gefertigt. Diese CNC-Winde- und Biegezentren zur Herstellung von dreidimensionalen Biegeteilen können vielseitig, flexibel und wirtschaftlich eingesetzt werden, um die unterschiedlichsten Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern in Größe, Forme und Funktion zu erhalten. Ein bekannter Hersteller von CNC-Winde- und Biegezentren ist die Firma WAFIOS AG in Reutlingen https://www.wafios.com/.



Werkstoffe und Materialien von Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern:
Bei Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern kommen unterschiedliche Werkstoffe und Materialen zum Einsatz.
Abhängig vom Anwendungsfall wie Belastung und Umgebungseinflüsse können nicht vergütete Federdrahtstähle [z.B. EN10270-1 (DIN 17223 T1)] oder vergütete Federdrahtstähle (Edelstahldraht) [z.B. EN10270-3 (DIN 17224)] verwendet werden. Mit unserem Maschinenpark mit CNC-Winde- und Biegezentren zur Herstellung von Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern erstellen wir Schenekfedern mit Drahtdurchmessern im Bereich von 0,3mm bis 4mm.



Nachbehandlung und Oberflächenbehandlung des Federwerkstoffes von Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern:
Im Anschluss an die Fertigung werden die Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern nachbehandelt.
Diese Nachbehandlung kann das Schleifen und Entgraten von Federnenden oder eine Wärmebehandlung des Federnstahls beinhalten.
Zur Wärmebehandlung zählen dabei Vergüten, Anlassen, Altern sowie Aushärten der Federnstähle. Zusätzlich kann auch ein Vorsetzen der Schenkelfeder erfolgen, wodurch der Werkstoffbelastung besser ausgenutzt werden kann.
Durch mechanische Randschichtverfestigung (z.B. Kugelstrahlen) kann der Werkstoff der Schenkelfeder im Oberflächen- und Randbereich verdichtet werden, wodurch eventuell vorhanden kleinste Haarrisse, kleinste Oberflächenfehle oder Riefen beseitigt werden. Dadurch ist ein randschichtverfestigter Federstahl unempfindlicher gegen Risse, die sich von der Oberfläche des Werkstoff aus in den Federstahl der Schenkelfedern einarbeiten.
Außerdem kann die Schenkelfeder, Drehfeder oder Torsionsfeder einer Oberflächenbahndlung unterzogen werden. Diese Oberflächenbehandlung kann verschiedenen Zwecken dienen. Zum Einen kann durch eine entsprechende Oberflächenbehandlung ein Korrosionsschutz erreicht werden. Zum Anderen können weitere verschiedene gewünschte Eigenschaften wie Gleitfähigkeit, Säurebeständigkeit erreicht werden.



Berechnung von Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern:
Die Schenkelfeder oder Drehfeder wird durch ein Drehmoment um die Federkörperachse bzw. eine Kraft senkrecht zur Federkörperachse belastet. Die Belastung des Federdrahts erfolgt dabei auf Biegung. Für die Konstruktion und Berechnung ist demnach die zulässige Biegespannung im Drahtwerkstoff entscheidend. Um den Drehwinkel der Schenkelfeder zu ermitteln, muss die Durchbiegung des Drahtwerkstoffs des Federkörpers und der beiden am Federkörper angeordneten Schenkel ermittelt werden.
Eine ausführlichen Beitrag zur Berechnung von Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern und Schraubendrehfedern können Sie hier nachlesen:

- Reihenschaltung und Parallelschaltung von mechanischen Federn ...
- Schenkelfederberechnung - Wissen, Konstruktion, Auslegung, Berechnung - Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern ...
- RS-Helix - Berechnungssoftware zur Berechnung von Schenkelfedern ...


Reihenschaltung von mechanischen Federn
Bei der Reihenschaltung von Federn, sind die Federn hintereinanderliegend in Reihe z.B. zwei Druckfedern aufeinander stehend.
Erfahren die in Reihe geschalteten Federn (Fe1, Fe2, Fe3 ... FeX) eine Kraft F in Newton (N) und eine Verschiebung s in mm, dann wirkt auf die in Reihe geschalteten Federn die gleiche Kraft F = F1 = F2 = F3 = ... FX.
Jedoch teilt sich die Verschiebung s auf die einzelnen Federn, je nach Steifikeit der einzelnen Federn auf: s = s1 + s2 + s3 + ... sX.

Federweg s in (mm) bei Reihenschaltung s = F/c = F1/c1 + F2/c2 + F3/c3 + ... + FX/cXmit F = F1 = F2 = F3 = ... FX und s = F/c Federkraft in (N) bei Reihenschaltung F = F1 = F2 = F3 = ... FX Federrate / Federsteifigkeit bei Reihenschaltung 1/c = 1/c1 + 1/c2 + 1/c3 + ... + 1/cX F in N; c in N/mm


Parallelschaltung von mechanischen Federn
Bei der Parallelschaltung von Federn, sind die Federn parallel nebeneinander z.B. zwei Druckfedern nebeneinander stehend.
Erfahren die parallel geschalteten Federn (Fe1, Fe2, Fe3 ... FeX) eine Kraft F in Newton (N) und eine Verschiebung s in mm, dann wirkt auf die parallel geschalteten Federn gleiche Verschiebeung s = s1 = s2 = s3 = ... sX in (mm).
Jedoch teilt sich die Kraft F auf die einzelnen Federn, je nach Steifikeit der einzelnen Federn auf: F = F1 + F2 + F3 + ... FX.

Federkraft F in (N) bei Parallelschaltung F = F1 + F2 + F3 + ... + FXmit s = s1 = s2 = s3 = ... SX und F = c*s Federweg s in (mm) bei Parallelschaltung s = s1 = s2 = s3 = ... SX F = c*s = c1*s1 + c2*s2 + c3*s3 + ... + cX*sX Federrate / Federsteifigkeit bei Parallelschaltung c = c1 + c2 + c3 + ... + cX F in N; c in N/mm; s in mm


Berechnung von Doppelschenkelfedern
Die Berechnung einer Doppelschenkelfeder ist mit ähnlichen Formeln durchzuführen wie bei der Berechnung einer einfachen Schenkelfeder.
- Berechnung der Doppelschenkelfeder ...
Es muss darauf geachtet werden, dass es sich bei der Doppelschenkelfeder mechanisch bzw. physikalisch um eine Parallelschaltung von zwei einfachen Schenkelfedern handelt. Bei einer Parallelschaltung von Federn addieren sich die Federsteifigkeiten, da der Drehwinkel für beide Federkörper und Schenkel gleich ist. Dadurch kann die Doppelschenkelfeder bei gleichem Drehwinkel doppelt so viel Kraft aufnehmen wie eine einfache Schenkelfeder.
- Schenkelfederwissen - Wissen, Konstruktion, Auslegung, Berechnung - Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern ...
- RS-Helix - Berechnungssoftware zur Berechnung von Schenkelfedern ...



Der grundsätzliche Aufbau einer Schenkelfeder umfasst folgende Merkmale:

Federkörper:
Der Federkörper besteht aus einem schraubenförmigen gewundenen Draht in Helixform. Der Federkörper der Schenkelfeder wird meist über einen Dorn, Achse oder Welle geführt.
Schenkel:
Die Schenkel der Schenkelfeder stellen die Verbindung zwischen den Krafteinleitungspunkten und dem Federkörper her. Meist wird ein Schenkel für die Krafteinleitung verwendet und der andere Schenkel dient als Abstützung.
Schenkelanordnung:
Die Schenkel einer Schenkelfeder können tangential, radial oder axial angeordnet sein, wobei jeder Schenkel eine unterschiedliche Anordnung aufweisen kann.
Schenkelform:
An beiden Schenkeln können unterschiedliche Federendenformen angebracht sein z.B. gerader Schenkel, Hakenform, Ösenform rund oder eckig.
Krafteinleitung oder Drehmomenteinleitung:
Die Krafteinleitung bzw. Drehmomenteinleitung erfolgt über einen der beiden Schenkel der Schenkelfeder, wobei sich der andere Schenkel meist an einem Bolzen, Maschinenteil oder Geräteteil abstüzt. Durch die Krafteinleitung bzw. Drehmomenteinleitung in Windungsrichtung ändert sich der Winkel zwischen den Schenkeln. Die Belastung der Schenkelfeder sollte in Windungsrichtung erfolgen.

Es ist wichtig zu beachten, dass die genaue Bezeichnung (Schenkelfeder, Drehfeder oder Torsionsfeder) variieren kann und in verschiedenen Kontexten gleichwertig verwendet wird. Grundsätzlich handelt es sich um dasselbe Bauteil, das dazu dient, eine rotierende Bewegung oder ein Drehmoment zu erzeugen.



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Schenkelfeder mit tangentialen Schenkeln

Die Mechanik der Schenkelfedern, Drehfedern, Torsionsfedern:
Das Drehmoment bzw. die Kraft, die auf die Schenkelfeder wirkt sollte, in Windungsrichtung erfolgen, um den Federdraht weniger stark zu belasten. Auch eine Belastung der Schenkelfedern gegen die Windungsrichtung ist möglich. Bei der Auslegung und Berechnung muss dieser Umstand jedoch berücksichtigt werden.
Die Schenkelfeder wird aufgrund der Gestaltung und der Krafteinleitung mechanisch und festigkeitstechnisch auf Biegung belastet. Demnach muss die Berechnung mit den analytischen Biegegleichungen für Draht durchgeführt werden. Hierbei ist der E-Modul eine wichtige Materialeigenschaft.
Zusätzlich werden Schenkelfedern meist auf Dauerfestigkeit ausgelegt. Dabei sind die Dauerfestigkeitsdiagramme für Biegung des Federnwerkstoffs bzw. Federdrahts hilfreich und von entscheidender Bedeutung.
Wird die Schenkelfeder in Windungsrichtung belastet, reduziert sich Federkörperinnendurchmesser Di, dabei vergrößert sich die Federkörperlänge Lk. Wird die Schenkelfeder jedoch gegen die Windungsrichtung belastet vergrößert sich Federkörperinnendurchmesser Di, dabei verringert sich die Federkörperlänge Lk.
Grundsätzlich sind enge Radien (Drahtbiegeradius kleiner als 2 * Drahtdurchmesser) beim Übergang vom Federkörper zu den beiden Schenkeln und von den Schenkeln zu den unterschiedlichen Federendenformen zu vermeiden. Dort können hohe Spannungsspitzen auftreten, die zu einem frühzeitigen Ausfall der Schenkelfeder führen.



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Schenkelfeder mit tangentialen Schenkeln

Hochwertige Schenkelfedern, Drehfedern und Torsionsfedern:
Als Dreh- oder Schenkelfedern werden Schraubenfedern bezeichnet, die um eine Achse gebogen und auf Biegung beansprucht werden. Als kinematische Bauteile speichern sie potenzielle Energie und sind wesentlich für die bewegende Funktionalität verantwortlich.
Drehfedern bestehen in der Regel aus zwei Schenkeln (Ls1 und Ls2) sowie einem Federkörper (Lk) mit einer bestimmten Windungszahl (n) und einem bestimmten Durchmesser (Di, Da). Eine besondere Funktion nehmen bei den Drehfedern die vorhandenen Schenkel ein.
Die Schenkel der Feder fungieren hierbei im Gegensatz zu vielen klassischen Federn als Hebel. Dadurch können sie das Drehmoment optimal einleiten.

Schenkelfedern, Drehfedern und Torsionsfedern für individuelle Anwendungen:
Neben genormten Drehfedern können Sie sich bei uns auch für individuell angepasste Ausführungen entscheiden.
Eine Anpassung der Schenkelgeometrie nach Kundenwunsch ist ebenso möglich wie die Abbiegung der Federschenkel in eine tangentiale, radiale, radial mittige oder axiale Form. Hierbei handelt es sich nur um einige Beispiele für die Anpassung von Drehfedern.
Sollten Sie weitere Änderungen wünschen, setzen Sie sich einfach mit uns in Verbindung.
Einstellungen sind bei den Drehfedern ebenso, wie bei der Schenkeleinstellung möglich. Die Schenkelstellung kann stufenlos auf die zu erwartenden Kräfte beziehungsweise das erforderliche Drehmoment eingestellt werden.

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Schenkelfeder mit tangentialem Schenkeln und Federenden als abgewinkelten Haken

Langlebige und robuste Schenkelfedern, Drehfedern und Torsionsfedern:
Aufgrund der Belastungen, denen Schenkelfedern, Drehfedern und Torsionsfedern ausgesetzt sind, ist es wichtig, dass sie von hoher Qualität sind. Drehfedern können links- oder rechtsbündig gewickelt sowie paarig gefertigt werden. Wir führen im Vorfeld der Produktion sorgfältige Berechnungen durch und ermitteln die optimalen Baumaße in Bezug auf Lebensdauer und Funktionalität.
So können Sie sich auf eine perfekte Lösung verlassen. Durch physikalische Tests können wir auf unseren Lastwechselautomaten die tatsächliche Lebensdauer der Drehfedern prüfen und dokumentieren. Unsere Prüfungen stellen sicher, dass Sie in unserem Sortiment ausschließlich Qualitätsware finden.

Typische Merkmale der Schenkelfedern, Drehfedern und Torsionsfedern:
Diese Drahtfedern sind immer schraubenförmig gewickelt. Sie besitzen abstehende, gerade Enden, die auch als Schenkel bezeichnet werden. Für die Schenkelfedern sind die Schenkel, also die Enden, von großem Wert. Dadurch wird das Drehmoment für den biegenden Draht eingeleitet.
Schenkelfedern finden im Alltag sehr häufig Anwendung und sind in vielen Bereichen unerlässlich.
Zum wichtigen Basic haben sie sich beispielsweise in Wäscheklammern oder auch Sicherheitsnadeln entwickelt. Im geschlossenen Zustand wird die Sicherheitsnadel durch die Schenkelfeder im sogenannten Kraftverschluss gehalten. Auch die Mausefalle mit Schlagbügel würde ohne die Schenkelfeder nicht funktionieren.



Schenkelfedern

Verschiedene Ausführungen von Schenkelfedern



Video: Produktion einer Schenkelfeder



Ihr Ansprechpartner für die Herstellung von technischen Metallfedern:

Christian Neumann
Tel: 0212 / 3824187-3
neumann@schmid-federn.de