Abb. 1: Aufbau einer Reibungsfeder mit 8 Elementen im Ruhezustand (li.) und unter Belastung (re.)
In einem der vorherigen Artikel haben wir über Reibungsfedern und ihre Anwendungen geschrieben. Dieses Mal wollen wir die technischen Eigenschaften der Reibungsfeder erklären: wie sie funktioniert und warum sie eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber anderen Dämpfungssystemen mitbringt.
Aufbau einer Reibungsfeder
Reibungsfedern bestehen aus präzise gefertigten Außen- und Innenringen. Diese berühren sich auf ihren Kegelflächen. Eine Berührungsfläche bezeichnet man als Element. Abbildung 1 zeigt eine Reibungsfeder, welche aus vier Außenringen, drei Innenringen und zwei halben Innenringen zusammengesetzt ist, somit also aus 8 Elementen besteht.
Die Anzahl der Elemente ist für die Auslegung der Feder sehr wichtig, da der Gesamtfederweg und die Gesamtfederarbeit von ihr abhängig sind. Eine Reibungsfeder zeigt ihre besten Eigenschaften mit halben Innenringen als Abschluss. Deswegen wählt man nach Möglichkeit eine gerade Elementenzahl e aus.
Manchmal wählt man die Größe der Reibungsfeder auch aus Gründen des zur Verfügung stehenden Einbauraumes. Falls diese dann aus einer ungeraden Anzahl von Elementen besteht, endet sie mit je einem halben Innen- und einem halben Außenring.
Mit der Wahl der Ringgröße werden weitere wichtige Kenngrößen für eine Reibungsfeder festgelegt:
- Die Federendkraft F,
- die Außen- und Innenführungsdurchmesser D2 und d2,
- die Elementenhöhe he,
- der Federweg pro Element se
- sowie die Energieaufnahme pro Element We.
Die erforderliche Elementenzahl e – für eine bestimmte Anwendung – errechnet sich aus dem gewünschten Federweg oder der benötigten Arbeit W, unter Vernachlässigung der Vorspannung. Schließlich werden die einzelnen Ringe dann zu kompletten Federsäulen aufgebaut.
So funktioniert eine Reibungsfeder
Wirkt eine axiale Last auf die Federsäule, führt es dazu, dass die Konusflächen sich ineinanderschieben und die einzelnen Ringe elastisch verformt werden (Abb. 1). Letztendlich bedeutet das: Die Außenringe werden gedehnt und die Innenringe werden gestaucht. Der sich hierbei ergebende Federweg se, errechnet sich aus der Durchmesserveränderung der elastisch verformten Ringe und deren Kegelwinkel.
Der Gesamtfederweg einer Reibungsfeder ist somit das Produkt aus der Anzahl der Elemente e und dem Federweg se, wobei sich die Federkraft nicht mit der Anzahl der Elemente ändert.
Im Gegensatz zu anderen Federarten verteilen sich die Umfangsspannungen nahezu gleichförmig über die Querschnittsfläche der belasteten Federelemente, daher wird jedes Volumenelement gleichmäßig ausgenutzt. Daraus ergibt sich ein geringeres Gewicht der Reibungsfeder gegenüber vergleichbaren anderen Federarten, da deren Querschnitt nach den maximalen Randspannungen dimensioniert werden, während die mittleren Fasern (Neutrale Faser) unbelastet bleibt.
Üblicherweise wird eine Feder auf eine Ausnutzung von ca. 70% ausgelegt, um ihre guten Eigenschaften mit einer möglichst langen Lebensdauer zu verbinden. Um die Funktionssicherheit zu gewährleisten wird jede Feder zwei Mal auf 140% ihrer Endkraft belastet.
Eigenschaften von Reibungsfedern
- Hohe Federarbeit bei geringem Gewicht und Volumen
- Veränderliche Kennlinie durch Wahl der Elementenzahl
- Lineare Kennlinie
- In Blockstellung überlastsicher
- Hohe Dämpfung
- Kraft-Weg-Diagramm unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit
- Unabhängigkeit des Diagramms von der Temperatur
- Reproduzierbarkeit der Kennlinie
- Wartungsfreiheit
- Variabler Aufbau der Reibungsfeder
- Parallelschaltung für höhere Kräfte und Serienschaltung für mehr Federweg möglich
Die Reibungsfeder ist vielen anderen Dämpfungssystemen weit überlegen und bietet eine Vielzahl an Einsatzgebieten. Ein besonderes und wichtiges Anwendungsgebiet, ist der Erdbebenschutz. Hierfür sind Reibungsfedern besonders geeignet. Mehr Informationen über Reibungsfedern im Erdbebenschutz, wird es in einem unserer nächsten Blogartikel geben.
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