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Federhärte errechnen


 
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Doc²
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BeitragVerfasst am: 18.09.2018 20:55    Titel: Federhärte errechnen Antworten mit Zitat

Ein Feder, egal ob Fahrwerksfeder, Ventilfeder oder Federn aus anderen Bereichen der Technik ,wird charakterisiert durch ihr verhalten.
Wie stark gibt die Feder einem bestimmtem Druck oder Zug nach, das ist dabei die entscheidende Frage.

Wenn man eine Feder vor sich liegen hat, oder aber eine eingebaute Feder bestimmen will geht das am einfachsten mit folgender Formel:

Federrate = ( 81000 N/mm² x Drahtdurchmesser4 ) : ( 8 x federnde Windungen x ( Federdurchmesser – Drahtdurchmesser )3 )

Erklärung der Formelelemente:
81000 N/mm² = Schubmodul vom Federwerkstoff, in dem Fall für Stahl.
Drahtdurchmesser = der Durchmesser vom runden Federdraht aus dem die Feder gewickelt ist.
federnde Windungen = damit wird die Anzahl der Umdrehungen gemeint, welche frei schwingen / federn können.
Federdurchmesser = Außendurchmesser der Feder, oder auch Breite
Alle gemessenen Werte werden in Millimeter eingesetzt
Das Ergebnis wird dann in N/mm ausgegeben.

Die Formel gilt nur für Federn welche aus einem runden Draht gewickelt werden.
Umso genauer die Feder ausgemessen wird, umso exakter wird das Ergebnis der Berechnung sein. Um den Drahtdurchmesser aber auch den Federdurchmesser zu bestimmen, am besten mit einen Messschieber mit mindestens 0,1 mm Genauigkeit messen. Denn jedes Zehntel zählt, dabei ist darauf zu achten das keine zu dicke Beschichtung mit gemessen wird.

Da eine Druckfeder immer mit einer bestimmten Fläche, oder Umdrehung, in ihrem Sitz aufliegt muss dieses beim einsetzen der Anzahl der federnden Umdrehungen berücksichtigt werden. Dafür wird bei der eingebauten Feder bestimmt wo sich der Draht aus dem Sitz hebt. Erst ab diesem Punkt federt die Feder und erst ab hier wird gezählt.
Da sich die Feder unter Belastung verformt legt sich zusätzlich ein Teil der Windungen in den Sitz, dies kann auch berücksichtigt werden.

Oftmals werden Federn auch an den Enden angeschliffen um auf einer Planen Fläche aufzuliegen. Beispielsweise bei Federn für Gewindefahrwerke. Die angeschliffenen Teile der Feder werden in der Formel auch nicht berücksichtigt, da diese nicht Federn. Erst ab dem Punkt wo der Federdraht wieder seinen vollen runden Querschnitt aufweist arbeitet die Feder.

Federn welche keine kontinuierliche Wicklung aufweisen zu bestimmen ist mit dieser Formel nur in zwei Schritten Möglich. Hierfür müsste die Feder „zerlegt werden“. Das bedeutet der feiner, oder enger gewickelte Teil müsste extra bestimmt werden, genauso wie der gröber, oder weiter gewickelte.
Um einen Durchschnittlichen Federwert zu erhalten, beziehungsweise so lang beide „Federhälften“ zusammen arbeiten, kann die Formel für die Feder angewandt werden.
Wenn der feinere Teil der Feder auf Block geht und so nicht mehr mitfedert, ist er ab diesem Punkt nicht mehr mit zu berücksichtigen und nur noch de grobe Teil der Feder zu berechnen.
Das gleiche gilt auch für Federn mit unterschiedlichen Durchmessern.

Wenn der Durchmesser der Feder stark variiert muss auch für diesen Teil eine extra Berechnung ausgeführt werden. Unberücksichtigt dabei können aber Auflagerflächen bleiben welche oftmals einen kleinern Durchmesser als die Feder selbst haben.

Umso genauer die gemessenen Werte in die Formel eingesetzt werden, umso genauer wird auch das Ergebnis. Aber da man in der Regel keine exakte bestimmte Federkraft benötigt welche auf mehrere Kommastellen genau ist, reicht es aus die einzusetzen Werte zu beschränken.

Nun noch eine Beispielrechnung Anhand einer Ventilfeder.
Die Ventilfeder ist im Anhang zu sehen und hat folgende Werte:

Drahtdurchmesser = 3,75 mm
federnde Windungen = 4
Federdurchmesser = 28,1 mm

Federrate = ( 81000 N/mm² x Drahtdurchmesser4 ) : ( 8 x federnde Windungen x ( Federdurchmesser – Drahtdurchmesser )3 )

Federrate = ( 81000 N/mm² x 3,75 mm4 ) : ( 8 x 4 x ( 28,1 mm – 3,75 mm )3 )

Federrate = ( 81000 N/mm² x 197,75 mm ) : ( 32 x ( 24,35 mm )3 )

Federrate = ( 16017750 N/mm ) : (462005,2 mm ) = 34,67 N/mm

Und gemessen wurden 34,0 N/mm. Damit ist das errechnete Ergebnis korrekt.
Diese 34,67 N/mm bedeuten das man die Federn mit 3,53 kg belasten muss um sie einen Millimeter zusammen zu drücken, sowie für jeden weiteren Millimeter.

Mit verschiedenen Federn habe ich die errechneten Ergebnisse mehrfach nachgeprüft durch exakte Messungen. Die Formel ist korrekt und die Werte stimmen über ein.
Formel Quelle: Tabellenbuch für Metalltechnik (Handwerk und Technik Verlag)

_________________



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Ventilfeder aus einem 1.1 / 1.3 HCS Motor
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BeitragVerfasst am: 24.09.2018 13:23    Titel: Antworten mit Zitat

Kleiner Tipp zur Lesbarkeit: da nach ² und ³ auf der Tastatur Schluss ist und das up-Attribut in dieser Forum-Software-Version nicht unterstützt wird, kann man sich mit ^ helfen:

Federrate = (81000 N/mm² x Drahtdurchmesser^4) : (8 x federnde Windungen x (Federdurchmesser – Drahtdurchmesser)^3)

Zumindest ist in vielen Programmiersprachen ^ das Zeichen für "hoch".

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