Die Konstruktion
von Federn umfasst viele Wissenschaften; die wichtigste sind Mechanik
und Festigkeitstheorien. Auch eine hohe Kenntnis der Anwendung und
ihrer Normen und Besonderheiten ist für eine optimale Federauslegung
wichtig.
Die
Federabmessungen können mit Hilfe theoretischer Modelle mit hoher
Genauigkeit berechnet werden. Um die Belastungswerte auswählen und
die Kriech-, Entspannungs- und Ermüdungsleistung beurteilen zu
können, ist ein hohes Wissen nicht nur über Metalle, sondern auch
über die Technologie der Federherstellung wichtig. Die Wirkung von
Eigenspannungen und die Kontrolle dieser Spannungen sind wichtig.
Was sind
technische Federn?
Technische
Federn sind elastische Gegenstände, die in der Regel aus Metallen
hergestellt werden, die sich durch Aufbringen einer bestimmten Kraft
ausdehnen und dann in ihre natürliche Form zurückkehren können.
Durch Formveränderung können technische
Federn mechanische Energie
speichern. Federn können auch zur Verbindung verschiedener Elemente
verwendet werden.
Die wohl bekanntesten Federtypen sind Schraubenfedern wie die aus dünnem Draht gewickelten Spiralkugelschreiberfedern und die wesentlich größeren Aufhängungsfedern in Fahrzeugen und Eisenbahnwagen. Aufgrund ihrer Form und ihrer druckbelastbaren Ausführung werden diese Federn als Schraubendruckfedern bezeichnet. Schraubenzugfedern hingegen sind auf Zugbelastung ausgelegt. Eine bekannte Anwendung findet sich bei Trampolinen, wo schraubenförmige Zugfedern die Sprungfläche mit dem Trampolinrahmen verbinden. Wenn jemand auf die Sprungfläche springt, werden diese Federn auseinander gezogen. Gleichzeitig wird Kraft ausgeübt, die sie dazu bringt, wieder auf ihre ursprüngliche Länge zurückzukehren, was dem springenden Menschen die Kraft gibt, in die Luft zu fliegen.
Beim
Zusammendrücken oder Strecken von Schraubenfedern üben sie eine
Gegenkraft aus, die – innerhalb eines bestimmten Bereichs –
proportional zu ihrer Längenänderung ist. Das Verhältnis zwischen
der Last (Kraft) und der Verformung wird durch ihre Federkennlinie
beschrieben.
Eine weitere Art
von Schraubenfedern sind Drehfedern, die z.B. für Wäscheklammern
verwendet werden.
Neben
Schraubenfedern gibt es viele andere Arten von Federn, z.B.
Spiralfedern, die in Wecker eingesetzt werden, Spiralfedern, die z.B.
in Astscheren zu finden sind, Flachform-Federn, die in elektrischen
Schaltern wirken, und Blattfedern, die Teil des Aufhängungssystems
von Lieferwagen und LKWs sind. Federscheiben, die die Form einer
Untertasse haben, werden verwendet, um eine konstante Zugkraft auf
eine Schraubverbindung auszuüben. Auch gebogene oder gestanzte
Metallteile können als Federn ausgeführt werden.
Darüber hinaus
gibt es nichtmetallische Federn, z.B. Gummibänder, die wie Zugfedern
wirken, und Gas- oder Flüssigkeitsfedern, die Druckgas (oder
Flüssigkeit) aus einem geschlossenen Zylinder verwenden.
Geschichte der
technischen Federn
Einfache Federn
wurden im Laufe der Menschheitsgeschichte verwendet, zum Beispiel in
Bogen- und Pfeilvorrichtungen. In frühen Phasen der Geschichte
wurden Kleidungsfibeln aus Bronze verwendet, um Oberbekleidung zu
schließen. Diese Fibeln können als Vorläufer der Sicherheitsnadeln
angesehen werden. Im späten Mittelalter wurden Spiralfedern für
Türschlösser verwendet, und es erschienen Uhren, die von
Spiralfedern angetrieben wurden. Nicht zuletzt spielten und spielen
Federn bei Schusswaffen eine entscheidende Rolle.
1676 definierte
der britische Physiker Robert Hooke ein physikalisches Gesetz, das
später nach ihm benannt wurde: Hookesches Gesetz. Es besagt, dass
die Kraft, die eine Feder ausübt, proportional zu ihrer Ausdehnung
ist. Schraubenfedern entsprechen diesem Gesetz. Es gibt aber auch
andere Arten von Federn, die Kräfte erzeugen, die nichtlinear mit
der Verschiebung variieren.
