Tellerfedern (1): Aufbau und Eigenschaften 01.07.2014, 06:35
Unter den technischen Federn sind Tellerfedern ein Sonderfall. Wegen ihrer Geometrie sind sie in der Lage, auf kleinstem Raum große Kräfte zu übertragen. Mit Tellerfedern lassen sich auf einfache Weise flexible Kennlinien erreichen.
Aufbau
Unter einer Tellerfeder nach DIN 2093 versteht man eine kegelige Ringschale, die in Achsrichtung belastbar ist und sowohl ruhend als auch schwingend beansprucht werden kann. Die Tellerfeder kann als Einzelfeder oder als Federsäule verwendet werden. In einer Säule können entweder einzelne Tellerfedern wechselsinnig oder aus mehreren Federn bestehende Federpakete gleichsinnig geschichtet werden (siehe Bild unten Federkraft/Federweg).
Tellerfedern eignen sich auch als Schraubensicherungen.
Die DIN 2093 sieht drei Maßreihen für Tellerfedern vor; sie unterscheiden sich in den Verhältnissen Außendurchmesser/Dicke und lichte Höhe/Dicke.
Maßreihe 1. Tellerfedern mit Tellerdicke t < 1,25 mm: gestanzt oder feingeschnitten aus Bandmaterial
Maßreihe 2. Tellerfedern mit Tellerdicke t von 1,25 bis 6 mm: gestanzt oder feingeschnitten.
Maßreihe 3. Tellerfedern mit Tellerdicke t > 6 mm: aus warmgeformten Platinen.
Werkstoffe
Überwiegend verwendet man Stähle nach der DIN EN 10089 und der DIN EN 10132-4. Kohlenstoffstähle werden nur für die Gruppe 1 verwendet. Bei diesen Stählen wird mit einem Elastizitätsmodul von E = 206 000 MPa gerechnet. Die Verwendung anderer Werkstoffe kann problematisch sein.
Ein Standardwerkstoff für Tellerfedern der Maßreihe 1 ist Ck 67, ein kostengünstiger Federstahl. Für die dickeren Tellerfedern verwendet man legierte Stähle 50CrV4 oder 51CrMoV 4.
Eigenschaften der Tellerfeder
a) Federkennlinie
In der Technik erfüllen Federn als elastische Bauteile die Aufgabe, unter Belastung nachzugeben und nach Entlastung in die ursprüngliche Gestalt zurück zu kehren. Zur Charakterisierung von Federn wird die Federkennlinie als technische Größe angegeben. Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen Verformungsweg und Kraft. Diese Kennlinie kann linear (Proportionalität zwischen Verformung und Kraft) oder progressiv (überproportionaler Anstieg der Kraft mit der Verformung) sein.
b) Eigenschaften
Tellerfedern haben im Vergleich mit anderen Federarten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, wie zum Beispiel:
1. Bei kleinem Einbauraum nehmen sie sehr große Kräfte auf.
2. Ihre Federkennlinien können je nach den Maßverhältnissen linear oder degressiv und durch geeignete Federnkombination auch progressiv gestaltet werden.
3. Durch die fast beliebige Kombinationsmöglichkeit von Einzeltellerfedern lässt sich die Kennlinie bzw. die Säulenlänge innerhalb weiter Grenzen verändern.
4. Bei richtiger Dimensionierung haben sie selbst bei dynamischer Belastung eine hohe Lebensdauer.
5. Durch die rotationssymmetrische Form erfolgt die Kraftübertragung konzentrisch.
6. Bei geeigneter Federanordnung kann eine große Dämpfung erreicht werden.
7. Die Lagerhaltung lässt sich vereinfachen, weil die einzelnen Federgrößen universell kombinierbar sind.
Tellerfedern schichten
Einzeltellerfedern - im Bild oben a) - kann man gleichsinnig zu Federpaketen c) oder wechselsinnig zu Federsäulen b) schichten. Bei der gleichsinnigen Schichtung addieren sich die Federkräfte; dabei benötigt man beim gleichen Federweg mehr Kraft. Bei der wechselsinnigen Schichtung addieren sich die Federwege, sodass man im Fall b) (drei Federscheiben) bei gleich bleibender Kraft auf den dreifachen Federweg kommt.
Bild unten: Der Ventilkegel wird mit einem Tellerfederpaket geschlossen. Wird er durch Überdruck angehoben, fließt das Öl von unten über den Kegelringspalt nach rechts.
