Metallfedern Trends bei Federn für die Industrie – ein Produktüberblick

Redakteur: Stefanie Michel

So unscheinbar sie auch sind: Federn gehören zu den wichtigen Konstruktionselementen. Hier finden Sie Trends in der Anwendung sowie neue Produkte und Entwicklungen aus dem Bereich der technischen Federn.

Firmen zum Thema

(Bild: Gutekunst)

Metallische Federn sind elastisch verformbare Bauteile, die entweder auf Zug oder Druck reagieren. Es gibt sie in unzähligen Ausführungen und Größen. Gerade in der Industrie kommen sie in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz – beispielsweise in der Antriebstechnik, der Messtechnik, der Elektronik oder in Maschinen. Meist stehen sie allerdings nicht im Vordergrund, sondern es sind C-Teile, die einfach vorhanden sein müssen. Doch auch diese unscheinbaren Bauteile werden weiterentwickelt und sind in Spezialausführungen erhältlich. Deshalb soll hier ein kleiner Überblick die aktuellen Entwicklungen der Federnhersteller aufzeigen.

Gutekunst: Große Federnvielfalt im Standard

Gutekunst bietet schon im Standardsortiment eine große Vielfalt an Federn. Sonderanfertigungen sind dennoch möglich.
Gutekunst bietet schon im Standardsortiment eine große Vielfalt an Federn. Sonderanfertigungen sind dennoch möglich.
(Bild: Gutekunst)

Technische Federn leisten in unzähligen Produkten herausragende Arbeit im Verborgenen. Gutekunst Federn kann seine weltweiten Kunden mit vielen Varianten, Formen, Größen und Stückzahlen aus einem Standardsortiment bedienen.

Federnvielfalt im Standard bedeutet für den Metzinger Federnspezialisten einen ständigen Weiterentwicklungsprozess, in dem durch die gezielte Auswertung von Bestellungen regelmäßig nachfragestarke Federbaugrößen an Druck-, Zug- und Schenkelfedern sowie verschiedenen Sicherungselementen dem Katalogsortiment hinzugefügt werden. Deshalb bietet das Unternehmen heute 12.603 Federbaugrößen direkt ab Lager an. Mit einer Lagerverfügbarkeit des Katalogsortiments von durchschnittlich 92 % und einer üblichen Auslieferungszeit von zwei bis fünf Tagen sind die Lieferzeiten daher für viele nachfragestarken Federn deutlich verkürzt, im Gegensatz zu individuellen Sonderanfertigungen mit einer Produktionszeit von drei bis fünf Wochen.

Da Federnvielfalt keine Grenzen kennt und Gutekunst nicht alle Federanforderungen über sein Standardsortiment abdecken kann, fertigt das Unternehmen auch gerne jede gewünschte Feder nach Kundenanforderung bis 12 mm Drahtstärke aus jedem gewünschten Federwerkstoff in Kleinmengen und Großserien. Auf der Grundlage seiner Fertigungsmöglichkeiten mit einem Maschinenpark, der unter anderem 170 Windautomaten umfasst und der großen Federnvielfalt kann Gutekunst flexibel auf die Artikelanforderungen der Kunden zu reagieren.

ACE Stoßdämpfer: Drahtseilfedern dämpfen auch in Extremsituationen

Selbst unter Extrembedingungen sind die neuen Drahtseilfedern von ACE für professionelle Lagerung und Vibrationsisolierung von leichten oder schweren Geräten und Maschinen geeignet.
Selbst unter Extrembedingungen sind die neuen Drahtseilfedern von ACE für professionelle Lagerung und Vibrationsisolierung von leichten oder schweren Geräten und Maschinen geeignet.
(Bild: ACE Stoßdämpfer)

Die ACE Stoßdämpfer GmbH führt mit Drahtseilfedern eine neue Produktserie im Bereich der Schwingungstechnik ein. Diese Serie erweitert das Portfolio zur Dämpfung und Isolierung von Schwingungen und Stößen sowie zur Entkopplung von Vibrationen um Lösungen, die auch unter widrigsten Umständen zum Einsatz kommen können. So sind alle Vertreter der drei neuen Produktfamilien besonders resistent gegen Hitze, Kälte, Säuren, Meerwasser und UV-Strahlung. Dabei bieten sie auf Dauer hohe schwingungs- sowie stoß- und schockdämpfende Eigenschaften.

Eine auf professionelle Weise beruhigte Lagerung von Maschinen und Anlagen lässt diese akkurater arbeiten, macht Messergebnisse zum Teil erst möglich und vermeidet die Übertragung von Schwingungen in angrenzende Räume und die erweiterte Umwelt. Da mit Vibrationen und Stößen erhebliche Lärmbelastungen einhergehen können, ist die Schwingungstechnik zudem für den Arbeitnehmerschutz von Bedeutung.

Die hinzugekommenen Drahtseilfedern erweitern nun das Applikationsspektrum und eignen sich für alle Anwendungen, bei denen Stöße und Vibrationen auch unter Extremsituationen unter Kontrolle zu bringen sind – mitunter auch gleichzeitig. Selbst schwierige Umgebungsbedingungen können diesen robusten Maschinenelementen etwas anhaben, denn sie sind komplett aus widerstandsfesten Aluminiumlegierungen oder auf Wunsch aus Edelstahl gefertigt.

Auch in widrigster Einsatzumgebung: Schock- und Schwingungisolierung

Die drei neuen Produktfamilien von ACE bestehen aus rostfreien Edelstahlseilen, sind auf besondere Weise geformt und verfügen für jeden Einsatzzweck über eine laut ACE überdurchschnittlich gute Dämpfung aufgrund der Reibung der einzelnen Drähte untereinander. Die Drahtseilfedern, Kompaktfedern und auch die Drahtseilfedern in kurzer Bauform eignen sich für eine stoß- und vibrationsfreie Lagerung in verschiedensten Einsatzbereichen. Dabei isolieren sie eine breite Palette unterschiedlicher Vibrationen und decken ein großes Spektrum von möglichen Belastungen ab, das von etwa 300 bis 2000 kg reicht. Der niedrige Massebereich ist prädestiniert für die Lagerung von Festplatten und Messapparaturen, der hohe kommt beispielsweise bei Transporten von Containern und Maschinen zum Einsatz. Dies gilt auch für weitere Anwendungsbereiche, zu denen unter anderem vibrations- und schockreduziertes Lagern von Elektronikkästen, Pumpen, Kompressoren und allen möglichen Kameralagerungen gehört. Daneben erfüllen die Drahtseilisolatoren auch spezielle Anforderungen militärischer Anwendungen und entsprechen den MIL-Spezifikationen.

Die aus Drahtseil gefertigten Komponenten bieten einen besonders großen nutzbaren Federweg, niedrige Eigenfrequenzen, geringe Resonanzübertragung und schnellen Abfall der Amplitude bei Stößen. Darüber hinaus gibt es bei dieser Produktserie von ACE nach dynamischer Kollision laut Hersteller keine Anzeichen von Ermüdung. Einsetzbar sind sie bei extremen Temperatur- und Umgebungsbedingungen von -130 bis 260 °C. Neben den Standardversionen aus Edelstahldrähten und Aluminiumbefestigungsleisten können Anwender bei ACE optional auch komplette Edelstahlvarianten ordern.

Smalley: Platzsparende Wellenfedern für den Getriebebau

Einsatz einer mehrlagigen Crest-to-Crest-Wellenfeder von Smalley/TFC zur Zahnkranz-Lagerung.
Einsatz einer mehrlagigen Crest-to-Crest-Wellenfeder von Smalley/TFC zur Zahnkranz-Lagerung.
(Bild: TFC)

Bei der Konstruktion von Getrieben ermöglichen die Wellenfedern von Smalley nicht nur Bauraum-Reduzierungen. Der Lieferant TFC zeigt hier, an welchen Stellen sie im Getriebebau derzeitig zum Einsatz kommen.

Die Wellenfedern und Sicherungsringe gleichen Toleranzen aus, erlauben die Drehzahlerhöhung von Wellen, setzen Wälzlager unter Vorspannung, halten Zahnräder in Position oder reduzieren Unwuchten im Getriebebau. Über diese Vorteile auf funktionell-kinematischen Gebiet hinaus aber punkten die beiden C-Teile-Produkte des US-amerikanischen Multi-Tier-Zulieferers nach eigenen Angaben vor allem damit, dass sie aus gewalztem Flachdraht bestehen und über einige typische Designmerkmale verfügen. Damit ebnen sie den Weg für konstruktive Vereinfachungen und Bauraumreduzierungen – sowohl im Maschinen- und Anlagenbau als auch bei der Realisierung mittelgroßer Automobil- und kompakter E-Bike-Getriebe.

Wellenfedern sparen axialen Bauraum

Besonders die Crest-to-Crest-Serie der Wellenfedern von Smalley ist für den Getriebebauer von Interesse. Die mehrlagigen Wellenfedern dieses Typs zeichnen sich durch ein spezielles Design aus, bei dem sich die Hoch- und Tiefpunkte der gewellten Flachdrahtspirale mit hoher geometrischer Präzision an ihren Maxima berühren. Im direkten Vergleich mit konventionellen Runddrahtfedern und bei gleichem Federweg sowie gleicher Belastbarkeit beanspruchen die Crest-to-Crest-Wellenfedern somit bis zu 50 % weniger axialen Bauraum. Getriebebauer können dann beispielsweise kompaktere Vorspannungslösungen mit kleinen Hubwegen und platzsparende Konstruktionen für den axialen Ausgleich von Toleranzen beziehungsweise Toleranzketten entwickeln. Da solche Bauraumreduzierungen in der Regel mit einem geringeren Materialeinsatz einhergehen, sinkt auch das Gewicht der Getriebe.

Weitere Beispiele für den Einsatz von Wellenfedern in Getriebebau und Antriebstechnik:

  • Ausgleich von temperaturbedingten Ausdehnungen,
  • Realisierung von schwimmenden Konstruktionen
  • Kolbenventil-Einstellungen
  • mechanische Gegendrucksystemen (Schalthebel).

Eine einlagige Wellenfeder von Smalley/TFC zur Lagefixierung eines Wälzlagers zum Einsatz im Getriebebau.
Eine einlagige Wellenfeder von Smalley/TFC zur Lagefixierung eines Wälzlagers zum Einsatz im Getriebebau.
(Bild: TFC)

Dabei sind es neben den Crest-to-Crest-Federn häufig auch die einlagigen Wellenfedern oder – wenn höhere Kräfte gefragt sind – die Spirawave-Wellenfedern, bei denen die Flachdrahtspirale aus mehreren parallelen und direkt aufeinander liegenden Lagen besteht.

Herstellungsverfahren: Auf dem Weg zum idealen Kreis

Sämtliche Smalley-Wellenfedern im Portfolio von TFC werden in einer Technik hergestellt, die in Fachkreisen als No-Tooling-Cost- oder Circulair-Grain-Verfahren bekannt ist. Mit dem Ziel, einen nahezu idealen Kreis zu fertigen, wird bei dieser Kantenwindungstechnik ein gewalzter Flachdraht über eine hohe Kante geführt. Smalley hat diese Methode über Jahrzehnte weiterentwickelt, sodass sich damit inzwischen Federn aus verschiedenen Werkstoffen und mit winzigen Durchmessern herstellen lassen. Crest-to-Crest-Wellenfedern etwa sind mittlerweile in vielen Größen lieferbar – in metrischen und Inch-Maßen. Als Sonderlösung gibt es sie auch mit nur 4,0 mm Durchmesser. Davon profitieren insbesondere jene Getriebebauer oder Systemzulieferer, die auf sehr kompakte Aggregate spezialisiert sind – etwa für E-Mobility-Anwendungen.

Lesjöfors: Druckfedern aus Werkzeugstahl für hohe Temperaturen

Druckfedern aus Werkzeugstahl halten hohen Temperaturen stand, sind aber weniger teuer als Varianten aus Edelstahl oder Superlegierungen.
Druckfedern aus Werkzeugstahl halten hohen Temperaturen stand, sind aber weniger teuer als Varianten aus Edelstahl oder Superlegierungen.
(Bild: Lesjöfors)

Um der Nachfrage nach Schwerlastfedern, die noch bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit aufweisen, gerecht werden zu können, hat der Federnhersteller Lesjöfors erfolgreich ein neues Material getestet. Hintergrund dafür war die Anfrage eines Kunden, der Tellerfedern in einem Drehantrieb für große Ventile durch Druckfedern ersetzen wollte. Hierbei mussten die Druckfedern mehrere Anforderungen erfüllen:

  • Betriebstemperaturen von mehreren Hundert Grad standhalten können,
  • eine sehr hohe Festigkeit aufweisen,
  • ATEX-zertifiziert sein, also keine Explosionsgefahr darstellen.

In Zusammenarbeit mit dem Technikleiter Stefan Musslinder und dem technischen Werksleiter Per Davidsson entstand die Idee, die Herstellung von Druckfedern aus Werkzeugstahl zu testen.

Für die Herstellung von Federn, die extremen Temperaturen standhalten sollen, gibt es mehrere Optionen: Sie können aus Edelstahl oder Superlegierungen wie Inconel oder Nimonic bestehen. Im Vergleich zu Werkzeugstahl sind sie dann aber sehr teuer. Bei großen Abmessungen ist die Festigkeit darüber hinaus sehr gering. Deswegen sah Lesjöfors ein großes Potenzial in Federn aus Werkzeugstahl und entschied sich, Prototypen herzustellen und Tests durchzuführen.

Großes Potenzial für Federn aus Werkzeugstahl

„Wir stellten zehn Federn mit einem Gewicht von jeweils etwa 10 kg aus Werkzeugstahl mit einer Härte von 50 Rockwell C her. Anschließend prüften wir die Heißfestigkeit, indem wir sie bei einer Temperatur zwischen 200 und 300 °C auf Blocklänge zusammendrückten. Auf diese Weise können wir ermitteln, inwieweit die Federn hohen Temperaturen standhalten. Die Testergebnisse sind sehr vielversprechend“, erklärt Musslinder.

Das Potenzial von Federn aus Werkzeugstahl ist groß, denn auch die finnische Gesellschaft von Lesjöfors in Åminnefors hat Anfragen zu ähnlichen Federn aus Asien erhalten. „Anfragen zu Federn, die in Ofennähe oder in Durchflussventilen für beispielsweise Dampf eingesetzt werden sollen, sind nicht ungewöhnlich. Druckfedern aus Werkzeugstahl könnten in vielen Anwendungen, bei denen Federn einer erhöhten Temperatur standhalten müssen, eine sehr gute und erschwingliche Alternative sein“, erklärt Davidsson.

Technischer Glossar zu Federn von Lee Spring

Die Geschichte der Metallfedern und der Federntechnik in Deutschland