Kapitel 16
Druckfeder nach DIN EN 13906-1, Ausgabe 2002

    16.1   Berechnungsmodul starten
    16.2   Allgemein
    16.3   Eingabemöglichkeiten
    16.4   Norm-Federgeometrieauswahl
    16.5   Auswahl des Federwerkstoffes
    16.6   Einheitenumschaltung
    16.7   Button „Vorwärts“und „Zurück“
    16.8   Meldungsfenster
    16.9   Kurzhilfe
    16.10   Ergebnisse
    16.11   Diagramme
    16.12   Dokumentation: Protokoll
    16.13   Berechnung speichern
    16.14   Einstellungen
    16.15   Berechnungsbeispiel: Druckfeder DIN EN 13906-1, Ausgabe 2002

16.1 Berechnungsmodul starten

Melden Sie sich auf der Startseite www.eAssistant.eu mit Ihrem Benutzernamen und Ihrem Passwort an. Öffnen Sie das Berechnungsmodul aus dem Listenfenster „Berechnungstyp“ im Project Manager.

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Abbildung 16.1: Allgemeiner Überblick

16.2 Allgemein

Die Feder ist ein mechanisches Teil, das bei Verformung Energie speichert und bei Entspannung die Energie wieder abgibt. Eine Druckfeder wirkt einem axialen Druck entgegen.

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Abbildung 16.2: Druckfeder

16.3 Eingabemöglichkeiten

16.3.1 Eingabe der Federkräfte und Wege

Bei der Druckfederberechnung nach DIN EN 13906-1 können die Federkräfte oder Wege oder eine Kombination aus beiden Größen für die Berechnung vorgegeben werden. Die weiteren Größen für die Beschreibung der Druckfedergeometrie wie Längen, Durchmesser und Windungen können Sie manuell eingeben oder über die Geometriedatenbank gemäß DIN 2098 auswählen. Geben Sie alle Werte manuell ein, besteht für Sie die Möglichkeit, Sonderdruckfedern zu berechnen. Dabei werden während der manuellen Definition der Federgeometrie je nach vorgegebenen Eingabewert die von diesem Wert abhängigen Daten automatisch berechnet.

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Abbildung 16.3: Eingabefelder für Federkräfte/Wege

Für die Eingabe der Kräfte und Wege bestehen die folgenden Möglichkeiten:

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Eingabe der Kräfte

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Eingabe der Wege

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Eingabe von Kraft und Weg

Zur besseren Orientierung der Größen, die in Abhängigkeit zueinander stehen, sind die jeweiligen Eingabefelder farblich gekennzeichnet. Das jeweils dazugehörige Eingabefeld wird gelb gekennzeichnet. Somit ist sofort erkennbar, wie sich die Werte zueinander verhalten und wie sie sich verändern.

16.3.2 Querfederung

Wird eine axial belastete Feder mit parallel geführten Enden zusätzlich quer zu ihrer Achse belastet, so tritt eine Querfederung mit örtlicher Spannungserhöhung auf (DIN EN 13906-1: Juli 2002, S. 10).

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Abbildung 16.4: Feder unter gleichzeitiger Axial- und Querbelastung

Berücksichtigen Sie hier die Querfederung. Geben Sie entweder die Kraft oder den Weg ein.

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Abbildung 16.5: Querfederung

16.3.3 Windungen

Die Anzahl der wirksamen Windungen n kann hier manuell eingegeben werden. Über diese manuelle Eingabe besteht für Sie die Möglichkeit der Auslegung von Sonderdruckfedern. Aktivieren Sie die Option „ungefedert“, dann können Sie einen Wert für die Anzahl der ungefederten Windungen manuell vorgeben.

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Abbildung 16.6: Windungen

Geben Sie entweder einen Wert für die Windungen n oder für die Federrate R vor. Auch hier sind die Eingabefelder für diese zwei Größen farblich gekennzeichnet. Geben Sie zum Beispiel eine Anzahl von wirksamen Windungen vor, wird dazu automatisch die Federrate bestimmt und das Eingabefeld für die Federrate färbt sich gelb. Geben Sie die Federrate vor, wird das Feld für die Windungen gelb dargestellt.

Hinweis: Wenn Sie auf den Button „Einstellungen“ in der oberen Zeile des Berechnungsmoduls klicken, dann haben Sie die Möglichkeit, die Toleranzen für den Federdrahtdurchmesser zu berücksichtigen. Wählen Sie über eine Listbox DIN 2076 B/C und DIN 2077 oder den Eintrag „Benutzerdefiniert“. Bei der Auswahl „Benutzerdefiniert“ lässt sich eine individuelle Drahdurchmessertoleranz angeben.

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Abbildung 16.7: Toleranzen

16.3.4 Federenden

Wählen Sie in der Listbox zwischen den verschiedenen Federenden aus:

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Abbildung 16.8: Auswahl der Federenden

16.3.5 Lagerungsarten

Einige Federn können ausknicken. Die zugehörige Federlänge wird als Knicklänge L
 k  und der bis dahin zurückgelegte Federweg als Knickfederweg s
 K  bezeichnet. Ein Einfluss der Federendenlagerung wird durch den Lagerungsbeiwert ν berücksichtigt.

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Abbildung 16.9: Lagerungsarten

Über eine Listbox stehen Ihnen die folgenden Lagerungsarten zur Verfügung:

Hinweis: Wählen Sie in der Listbox „per Eingabe“ aus, dann können Sie einen eigenen Lagerungsbeiwert ν eingeben.

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Abbildung 16.10: eigene Eingabe

16.3.6 Auswahl der Beanspruchungsart

Vor einer Berechnung sollte geklärt werden, ob es sich bei der vorgesehenen Beanspruchungsart um statische bzw. quasistatische oder um dynamische Beanspruchung handelt. Die Berechnungsdurchführung in diesem Modul ist sowohl für eine dynamische als auch statisch/quasistatische Beanspruchung möglich. Als statische Beanspruchung bei Federn gilt:

Als quasistatische Beanspruchung bei Federn gelten:

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Abbildung 16.11: Beanspruchung

Als dynamische Beanspruchungen bei Federn gelten zeitlich veränderliche Beanspruchungen mit Lastspielzahlen über 104  und Hubspannungen über 0,1 × Dauerhubfestigkeit bei:

Je nach der verlangten Lastspielzahl N ohne Bruch unterscheidet man:

16.3.7 Eingabe der Federlängen und Federdurchmesser

Geben Sie hier die Werte für die Länge sowie Durchmesser der Feder an. Auch hier sind die Eingabefelder zur besseren Orientierung farblich gekennzeichnet, um deren Abhängigkeit voneinander zu verdeutlichen.

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Abbildung 16.12: Länge und Durchmesser der Feder

16.4 Norm-Federgeometrieauswahl

Alle Größen für die Beschreibung der Druckfedergeometrie wie die Längen, Durchmesser und Windungen können entweder manuell eingegeben werden oder stehen Ihnen über eine Geometriedatenbank gemäß DIN 2098 zur Auswahl. Das bedeutet, Sie haben die Möglichkeit sich über diese Norm-Federgeometrieauswahl eine Feder vorschlagen zu lassen. Definieren Sie zuerst Ihre Belastungen, klicken Sie anschließend auf den Button „Federgeometrie Datenbank“.

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Abbildung 16.13: Button „Federgeometrie Datenbank“

In dieser Datenbank erhalten Sie übersichtlich alle Federgeometrien, die für Ihren Anwendungsfall geeignet sind. Wählen Sie aus dieser Liste die jeweilige Feder aus und bestätigen Sie mit dem Button „OK“.

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Abbildung 16.14: Federgeometrieauswahl

Hinweis: Standardmäßig ist die Option „Nur Geometrien anzeigen, die für den aktuellen Anwendungsfall geeignet sind.“ aktiviert. Möchten Sie sich jedoch alle Geometrien anzeigen lassen, dann deaktivieren Sie bitte diese Option.

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Abbildung 16.15: Option aktiviert

16.5 Auswahl des Federwerkstoffes

Klicken Sie auf den Button „Werkstoff“, so können Sie Federwerkstoffe direkt aus der Werkstoffdatenbank auswählen. Sie können Werkstoffe manuell eingeben und somit einen eigenen Federwerkstoff definieren. Somit besteht für Sie die Möglichkeit, Sonderwerkstoffe in die Berechnung einzubeziehen.

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Abbildung 16.16: Button „Werkstoff“

Wählen Sie aus der Listbox einen Werkstoff aus. Hier erhalten Sie außerdem alle weiteren Informationen zum jeweiligen Werkstoff. Mit den Pfeiltasten „nach oben“ und „nach unten“ Ihrer Tastatur können Sie die unterschiedlichen Werkstoffe und deren Eigenschaften durchsuchen und so schnell und übersichtlich miteinander vergleichen.

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Abbildung 16.17: Werkstoffdatenbank

16.5.1 Eigenen Federwerkstoff definieren

Befindet sich Ihr gewünschter Werkstoff nicht in der Liste, wählen Sie in aus Listbox den Eintrag „Benutzerdefiniert“. Hier können Sie anschließend Ihre individuellen Eingaben definieren sowie einen Kommentar hinzufügen. Je nach Herstellverfahren des gewählten Werkstoffes, also warmgewalzt oder kaltgeformt, erfolgt die Berechnung der Toleranzen gemäß DIN 2095 oder DIN 2096. Als weiterer Zusatz erfolgt die Berechnung der Eigenfrequenz der Feder.

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Abbildung 16.18: Benutzerdefinierter Werkstoff

Um diese Eingaben zu bestätigen, klicken Sie auf den Button „OK“. Klicken Sie jetzt wieder auf den Button „Werkstoff“, dann öffnen sich Ihre benutzerdefinierten Eingaben. Wählen Sie allerdings im Modul einen anderen Werkstoff aus der Listbox aus, gehen Ihre definierten Angaben verloren. Diese müssen Sie anschließend erneut eingeben.

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Abbildung 16.19: Eigene Eingaben hinzufügen

16.6 Einheitenumschaltung

Diese Funktion ermöglicht es, einfach und schnell Einheiten umzuschalten.

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Abbildung 16.20: Einheitenumschaltung

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das entsprechende Eingabefeld, in dem Sie die Einheit umschalten möchten.

Ein Kontextmenü öffnet sich. Dort werden Ihnen sämtliche Einheiten angezeigt, die Ihnen zur Verfügung stehen. Die beiden Pfeile kennzeichnen die aktuelle Einstellung.

Wählen Sie die gewünschte Einheit aus.

Die Änderung der Maßeinheit sehen Sie sofort in der Bezeichnung des Eingabefeldes. Der aktuelle Feldwert wird dabei in die entsprechende Einheit umgerechnet.

16.7 Button „Vorwärts“ und „Zurück“

Mit dem Button „Zurück“ können Sie vorhergegangene Eingaben zurücksetzen. Wenn Sie eine rückgängiggemachte Eingabe wiederherstellen wollen, dann klicken Sie auf den Button „Vorwärts“.

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Abbildung 16.21: Button „Vorwärts und Zurück“

16.8 Meldungsfenster

Das Berechnungsmodul enthält ein Meldungsfenster, in denen Informationen, Hinweise oder Warnungen aufgelistet werden. Der eAssistant erkennt bereits während der Dateneingabe auftretende Fehler und zeigt Ihnen sogleich Lösungsvorschläge im Meldungsfenster an. Wenn Sie die verschiedenen Hinweise und Warnungen beachten und befolgen, lassen sich schnell Fehler in Ihrer Berechnung beheben.

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Abbildung 16.22: Meldungsfenster

16.9 Kurzhilfe

Bewegen Sie den Mauszeiger über ein Eingabefeld oder über einen Button, so erhalten Sie zusätzliche Informationen, die Ihnen in der Kurzhilfe angezeigt werden.

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Abbildung 16.23: Kurzhilfe

16.10 Ergebnisse

Die Ergebnisse werden bereits während jeder Eingabe berechnet und immer aktuell im Ergebnisfeld angezeigt. Es wird nach jeder abgeschlossenen Eingabe neu durchgerechnet. Dadurch werden jegliche Veränderungen der Eingabewerte auf die Ergebnisse schnell sichtbar. Werden die Mindestsicherheiten nicht erfüllt, so wird das Ergebnis mit einer roten Markierung angezeigt. Grundsätzlich können Sie jede Eingabe mit der Enter-Taste oder mit einem Klick in ein neues Eingabefeld abschließen. Alternativ können Sie mit der Tab-Taste durch die Eingabemaske springen oder nach jeder Eingabe auf den Button „Berechnen“ klicken. Auch hierbei werden die Werte entsprechend übernommen und die Ergebnisse sofort in der Übersicht angezeigt.

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Abbildung 16.24: Ergebnisse

16.11 Diagramme

Neben den Ergebnissen stehen Ihnen auch das Kraft-Weg- und das Goodman-Diagramm zur Verfügung. Das Goodman-Diagramm wird nur bei einer dynamischen Belastung dargestellt. Mit einem Mausklick auf die jeweilige Diagrammfläche lassen sich die Diagramme vergrößert darstellen.

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Abbildung 16.25: Kraft-Weg- und Goodman-Diagramm

16.12 Dokumentation: Protokoll

Nach Abschluss Ihrer Berechnungen haben Sie die Möglichkeit, ein Protokoll zu generieren. Klicken Sie dazu auf den Button „Protokoll“, um das Protokoll zu öffnen.

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Abbildung 16.26: Button „Protokoll“

Das Protokoll enthält ein Inhaltsverzeichnis. Hierüber lassen sich die gewünschten Ergebnisse schnell aufrufen. Es werden Ihnen alle Eingaben sowie Ergebnisse aufgeführt. Das Protokoll steht Ihnen im HTML- und im PDF-Format zur Verfügung. Sie können das erzeugte Protokoll zum Beispiel im HTML-Format abspeichern, um es später in einem Web-Browser wieder oder im Word für Windows zu öffnen.

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Abbildung 16.27: Auszug aus dem Protokoll

Das Berechnungsprotokoll lässt sich drucken oder speichern:

16.13 Berechnung speichern

Nach der Durchführung Ihrer Berechnung können Sie diese speichern. Sie haben dabei die Möglichkeit, entweder auf dem eAssistant-Server oder auf Ihrem Rechner zu speichern. Klicken Sie auf den Button „Speichern“ in der obersten Zeile des Berechnungsmoduls.

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Abbildung 16.28: Button „Speichern“

Um die Berechnung lokal auf Ihrem Rechner zu speichern, müssen Sie die Option „Lokales Speichern von Dateien ermöglichen“ im Project Manager sowie die Option „lokal“ im Berechnungsmodul aktivieren.

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Abbildung 16.29: Windows-Dialog zum Speichern

Haben Sie diese Option nicht aktiviert, so öffnet sich ein neues Fenster und Sie können Ihre Berechnung auf dem eAssistant-Server speichern. Geben Sie unter „Dateiname“ den Namen Ihrer Berechnung ein und klicken Sie auf den Button „Speichern“. Klicken Sie anschließend im Project Manager auf den Button „Aktualisieren“, Ihre gespeicherte Berechnung wird in dem Listenfenster „Dateien“ angezeigt.

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Abbildung 16.30: Berechnung speichern

16.14 Einstellungen

Klicken Sie auf den Button „Einstellungen“ in der oberen Zeile des Berechnungsmoduls.

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Abbildung 16.31: Button „Einstellungen“

Hier finden Sie verschiedene Standardeinstellungen, die Sie individuell anpassen können:

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Abbildung 16.32: Einstellungen

16.15 Berechnungsbeispiel: Druckfeder DIN EN 13906-1, Ausgabe 2002

16.15.1 Berechnungsmodul starten

Melden Sie sich auf der Startseite www.eAssistant.eu mit Ihrem Benutzernamen und Ihrem Passwort an. Öffnen Sie das Berechnungsmodul aus dem Listenfenster „Berechnungstyp“ im Project Manager.

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Abbildung 16.33: Berechnungsmodul

16.15.2 Berechnungsbeispiel

Die kaltgeformte Druckfeder 4 x 32 x 120 aus patentiert gezogenem Federstahldraht mit

Drahtdurchmesser d = 4 mm

Federdurchmesser D = 32 mm

Windungen n = 8.5

Federlänge L0  = 120 mm

wird abwechselnd mit

Federkraft F1  = 300 N

Federkraft F2 = 500 N

belastet. Wie groß sind die Federrate R, die Schubspannung τk2  bei F2  = 500 N und der Federhub sh  ?

16.15.3 Durchführung der Berechnung

Eingabe der Federkräfte

Starten Sie mit der Eingabe der Federkräfte F1  und F2  . Während Sie die Werte für die Federkräfte eingeben, werden Ihnen sofort die dazugehörigen Federwege berechnet und auch farblich gekennzeichnet.

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Abbildung 16.34: Eingabe der Federkräfte

Eingabe der federnden Windungen und des Drahtdurchmessers

Geben Sie hier die Anzahl der Windungen n sowie den Drahtdurchmesser d ein. Die Einstellungen für die Federenden, die Lagerung sowie für die Beanspruchung werden nicht verändert. 

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Abbildung 16.35: Windungen d und Drahtdurchmesser d

Eingabe der Federlänge und des Federdurchmessers

Geben Sie die Federlänge L0  und den Federdurchmesser D ein.

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Abbildung 16.36: Eingabe der Länge und des Durchmessers

Werkstoffdatenbank

Um den gewünschten Werkstoff für diese Druckfeder auszuwählen, klicken Sie auf den Button „Werkstoff“.

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Abbildung 16.37: Button „Werkstoff“

Wählen Sie aus der Listbox den Werkstoff „patentiert gezogener Draht, kugelgestrahlt“ aus.

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Abbildung 16.38: Werkstoff auswählen

16.15.4 Ergebnisse

Alle Ergebnisse, wie zum Beispiel die statische und dynamische Ausnutzung der Spannung, werden bereits während jeder Eingabe berechnet und sofort im Ergebnisfeld angezeigt. Das bedeutet also, dass nach jeder abgeschlossenen Eingabe automatisch neu durchgerechnet wird. Klicken Sie auf den Button „Berechnen“, dann werden Ihre Eingaben bestätigt, die Ergebnisse berechnet und im Ergebnisfeld angezeigt. Sie können auch mit der ENTER- oder Tab-Taste Ihrer Tastatur die Eingaben bestätigen. Ihre Eingaben werden auch übernommen, sobald Sie mit der Maus in ein neues Eingabefeld klicken.

Federrate R

Die Federrate R beträgt = 9,364 N/mm und wird oberhalb des Eingabefeldes zum Drahtdurchmesser angezeigt.

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Abbildung 16.39: Ergebnis Federrate

Schubspannung bei Federkraft F2

Klicken Sie auf den Protokoll-Button. In diesem Protokoll finden Sie das Ergebnis für die Schubspannung. Die Schubspannung τk2  beträgt = 636,62 N/mm2  .

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Abbildung 16.40: Ergebnis Schubspannung

Federhub s
h

In dem Ergebnisfeld in der Hauptmaske des Berechnungsmodul finden Sie das Ergebnis für den Federhub. Der Federhub sh beträgt = 21,36 mm.

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Abbildung 16.41: Ergebnis Federhub

16.15.5 Dokumentation: Diagramme und Protokoll

Diagramme

Ihre Ergebnisse werden übersichtlich in den Diagrammen dargestellt. Klicken Sie mit der Maus auf eines der Diagramme, so wird dieses vergrößert dargestellt.

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Abbildung 16.42: Diagramme

Protokoll

Nach Abschluss Ihrer Berechnung haben Sie die Möglichkeit, ein Protokoll zu erzeugen. Klicken Sie dazu auf den Button „Protokoll“.

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Abbildung 16.43: Button „Protokoll“

Das Protokoll enthält ein Inhaltsverzeichnis. Hierüber lassen sich die gewünschten Ergebnisse schnell aufrufen. Es werden Ihnen alle Eingaben sowie Ergebnisse aufgeführt. Das Protokoll steht Ihnen im HTML- und im PDF-Format zur Verfügung. Sie können das erzeugte Protokoll zum Beispiel im HTML-Format abspeichern, um es später in einem Web-Browser wieder oder im Word für Windows zu öffnen. Das Berechnungsprotokoll lässt sich drucken oder speichern:

16.15.6 Berechnung speichern

Nach der Durchführung Ihrer Berechnung können Sie diese speichern. Speichern Sie die Berechnung entweder auf dem eAssistant-Server oder lokal auf Ihrem Rechner. Klicken Sie auf den Button „Speichern“ in der obersten Zeile des Berechnungsmoduls.

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Abbildung 16.44: Button „Speichern“

Haben Sie die Option „lokal“ im Project Manager und im Berechnungsmodul aktiviert, so öffnet sich der Windows-Dialog zum Speichern.

Hinweis: Um die Option „Lokales Speichern“ zu aktivieren, darf kein Berechnungsmodul geöffnet sein.

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Abbildung 16.45: Windows-Dialog zum Speichern

Haben Sie diese Option nicht aktiviert, so öffnet sich ein neues Fenster und Sie können Ihre Berechnung auf dem eAssistant-Server speichern.

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Abbildung 16.46: Berechnung speichern

Geben Sie unter „Dateiname“ den Namen Ihrer Berechnung ein und klicken Sie auf den Button „Speichern“. Klicken Sie anschließend im Project Manager auf den Button „Aktualisieren“, Ihre gespeicherte Berechnung wird in dem Listenfenster „Dateien“ angezeigt.

Für weitere Fragen, Informationen oder auch Anregungen stehen wir Ihnen jederzeit gern zur Verfügung. Sie erreichen unser Support-Team über die E-Mail eAssistant@gwj.de oder unter der Telefon-Nr. +49 (0) 531 129 399-0.