Tellerfedern (DIN EN 16983)

Die Tellerfeder hat im Vergleich mit anderen Federarten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, von denen vor allem die folgenden genannt seien:

1. Sie kann bei kleinem Einbauraum sehr große Kräfte aufnehmen.
2. Ihre Federkennlinie kann je nach den Maßverhältnissen linear oder degressiv sein und durch geeignete Anordnung auch progressiv gestaltet werden.
3. Durch die fast beliebige Kombinationsmöglichkeit von Einzeltellerfedern kann die Kennlinie bzw. die Säulenlänge innerhalb weiter Grenzen variiert werden.
4. Hohe Lebensdauer bei dynamischer Belastung, wenn die Feder richtig dimensioniert ist.
5. Durch die rotationssymmetrische Form erfolgt die Kraftübertragung absolut konzentrisch.

Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften hat die Tellerfeder in den letzten Jahrzehnten auf fast allen Gebieten der Technik Eingang gefunden.

Für Tellerfedern gibt es die beiden Normen DIN EN 16984 (ehem. DIN 2092) Tellerfedern-Berechnung sowie DIN EN 16983 (ehem. DIN 2093) Tellerfedern-Maße und -Qualitätsforderungen.

Diese Normen bilden die Grundlage unserer Fertigung. Das in DIN EN 16984 (ehem. DIN 2092) genormte Berechnungsverfahren geht auf eine Arbeit von J.O. Almen und A. László zurück und hat sich seit vielen Jahren in der Praxis bewährt.

Die DIN EN 16983 (ehem. DIN 2093) enthält drei Maßreihen für Tellerfedern, die sich in den Verhältnissen Außendurchmesser / Dicke und lichte Höhe / Dicke unterscheiden. Außerdem enthält die Norm weitgehende Qualitätsforderungen für Ausführung, Grenzabmaße, Werkstoff, zulässige Spannungen, zulässiges Nachsetzen, Führungsspiel und Prüfung von Tellerfedern.

Abbildung 2: Kennlinien von Tellerfedern

Das Verhältnis h0/t ist kennzeichnend für die Krümmung der Federkennlinie (Abb. 2).

Bei h0/t < 0,4 ist die Kennlinie nahezu linear, mit steigendem Verhältnis h0/t nimmt die Degressivität zu.

Bei h0/t = √2 hat die Kennlinie einen annähernd waagerechten Kurventeil (sie hat bei s = h0 eine waagerechte Tangente).

Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, Federn mit fast waagerechter Kennlinie zu entwickeln, bei denen die Kraft trotz zunehmender Einfederung nur wenig ansteigt. Für längere Federsäulen sind solche Federn mit h0/t > 1,3 allerdings nicht geeignet, da einzelne Federn innerhalb der Säule ungleichmäßig einfedern können und dadurch überlastet werden. Solche Federn sollten deshalb nur als Einzelfedern zur Anwendung kommen.

Aus der Abhängigkeit der Kennlinienkrümmung vom Verhältnis h0/t ergibt sich, dass sich die Kennlinie von Tellerfedern gleicher Abmessung ändert, wenn diese verschieden hoch geprägt werden. Umgekehrt wird bei gleicher Höhe h0 ein dünner Teller eine größere Krümmung der Kennlinie aufweisen als ein dicker Teller.

Abbildung 3: Errechnete und ausgewogene Kennlinie

Bei üblicher Anordnung von Tellerfedern tritt bei Federwegen s > 0,75 h0 abweichend von der Rechnung ein progressiver Anstieg der Federkraft ein. Dieser entsteht durch die Verschiebung der Kraftangriffspunkte zu kleineren Hebelarmen, weil sich die Tellerfedern aufeinander bzw. auf der Anlagefläche abwälzen. Es wird deshalb empfohlen, den zur Verfügung stehenden Federweg nur bis zu ca. 75 bis 80% auszunutzen.

In der DIN EN 16983 (ehem. DIN 2093) werden aus diesem Grund die Federkräfte nur bei s = 0,75 h0 angegeben (Abb. 3 bzw. DIN EN 16983 Tab.
4 – 6).

Statische Auslegung

Ruhende oder selten wechselnde Beanspruchung liegt vor :

1. a) bei Tellerfedern, die nur statisch ohne Laständerung belastet sind
2. b) bei Tellerfedern mit gelegentlichen Laständerungen in größeren Zeitabständen und weniger als 10⁴ Lastspielen während der vorgesehenen Lebensdauer.

Die Bauhöhe l0 einer Tellerfeder wird üblicherweise so ausgelegt, dass die Feder bei ruhender oder selten wechselnder Belastung beansprucht werden kann, ohne dass sich das Maß l0 über die zulässigen Abweichungen hinaus vermindert.

Zulässige Beanspruchung

Die Spannung an der Stelle OM sollte etwa der Streckgrenze des zur Verarbeitung kommenden Werkstoffes entsprechen. Für Federstähle nach DIN EN 10132-4 (und DIN EN 10132-1) gilt:

OM  -1600 N/mm².

Bei anderen Werkstoffen müssen die dafür gültigen Werte für die Streckgrenze berücksichtigt werden. Unter Umständen besteht die Möglichkeit eines geringen Nachsetzens.

Schwingende Beanspruchung liegt bei allen Tellerfedern vor, bei denen die Belastung dauernd zwischen einem Vorspannfederweg s1 und einem Federweg s2 wechselt.

Unter dem Einfluss der Hubspannung Sigmah können schwingend belastete Tellerfedern je nach Lebensdauer in zwei Gruppen eingeteilt werden.

1. a) Tellerfedern mit höherer Lebensdauer. Diese Tellerfedern sollen ohne Bruch mindestens

2 × 10⁶

Lastwechsel und mehr ertragen. Wird von einer Feder eine wesentlich höhere Lebensdauer verlangt, bitten wir um Rücksprache. Eventuell kann nur ein Dauerversuch genauen Aufschluss geben.

1. b) Tellerfedern mit begrenzter Lebensdauer. Diese Tellerfedern sollen im Bereich der Zeitfestigkeit

10⁴ ≤ N < 2 × 10⁶

eine begrenzte Anzahl von Lastspielen bis zum Bruch erreichen.

Für den Schwingungsbruch maßgebende Querschnittstelle

Abbildung 4: Für den Schwingungsbruch maßgebende Querschnittstelle

Für Tellerfedern mit schwingender Beanspruchung sind die rechnerischen Zugspannungen an der Federunterseite maßgebend, da Dauerbrüche stets von hier ausgehen.

In Abhängigkeit von den Maßverhältnissen De/Di und h0/t und der relativen Einfederung s/h0 kann die größte Hubspannung Sigmah sowohl an der Stelle II als auch an der Stelle III auftreten. Ob Stelle II oder III maßgebend ist, kann aus der Abbildung 4 entnommen werden.

Mindestvorspannfederweg zur Vermeidung von Anrissen

Nach der Vergütung werden alle Tellerfedern vorgesetzt, was eine plastische Verformung im Bereich der Querschnittstelle I zur Folge hat. Dadurch entstehen in diesem Bereich Zugeigenspannungen an der unbelasteten Feder. Bei Belastungen tritt dann ein Wechsel zwischen Zug- und Druckspannung ein, der bei schwingender Beanspruchung zu Anrissen führt. Um diese zu vermeiden, müssen die Zugeigenspannungen durch entsprechende Vorspannung ausgeglichen werden.

Schwingend belastete Tellerfedern sollten deshalb mindestens auf s = 0,15 bis 0,20 h0 vorgespannt werden.

Zulässige Beanspruchung

Die für den Arbeitsbereich der Feder errechneten Spannungen werden mit den Dauer- und Zeitfestigkeitsschaubildern Abbildung 5 und 6 verglichen. Diese geben für schwingend beanspruchte, nicht kugelgestrahlte Tellerfedern Richtwerte für den permanenten Spannungsbereich SigmaH für #

N =  2 × 10⁶

Lastwechsel und der Zeitfestigkeit für

N = 5 × 10⁵

und

N = 10⁵

Lastwechsel in Abhängigkeit von der Unterspannung SigmaU an. Zwischenwerte für andere Lastspielzahlen können geschätzt werden.

Abbildung 5: Dauer- und Zeitfestigkeitsschaubild für Tellerfedern Gruppe 1

Für zwei der Fertigungsgruppen nach DIN EN 16983 (ehem. DIN 2093) sind die rechts angeführten Diagramme (Abb. 5 und 6) dargestellt.

Diese Gruppen werden nach der Tellerdicke wie folgt unterteilt:

Gruppe 1: t kleiner 1,25 mm

Gruppe 2: t = 1,25 mm bis 6 mm

Die Dauer- und Zeitfestigkeitsschaubilder wurden aus Laborversuchen auf Prüfmaschinen mit gleichmäßig sinusförmiger Belastung durch statistische Auswertung ermittelt, wobei eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 99 % angenommen wurde.

Abbildung 6: Dauer- und Zeitfestigkeitsschaubild für Tellerfedern Gruppe 2

Die Schaubilder gelten für Einzeltellerfedern und Federsäulen mit bis zu 10 wechselsinnig aneinandergereihten Einzeltellerfedern, die bei Raumtemperatur arbeiten, bei oberflächengehärteter und einwandfrei bearbeiteter Innen- und Außenführung sowie einem Mindestvorspannfederweg s1 = 0,15 bis 0,20 h0.

In der Praxis ist zu berücksichtigen, dass die Beanspruchungsart in vielen Fällen von einer annähernd sinusförmigen Schwingung abweicht. Bei stoßartiger Wechselbelastung und infolge von Eigenschwingungen kann die wirkliche Beanspruchung des Werkstoffes bedeutend höher liegen als die errechnete. Die Werte der Schaubilder dürfen bei diesen Belastungsfällen nur unter Einbeziehung entsprechender Sicherheiten verwendet werden.

Für Federsäulen mit mehr als 10 oder mit mehrfach parallel geschichteten Einzeltellerfedern sowie bei sonstigen ungünstigen Einflüssen, die auch thermischer oder chemischer Art sein können, liegen keine hinreichenden Dauerfestigkeitswerte vor.

In solchen Fällen muss ebenfalls mit zusätzlichen Sicherheiten gerechnet werden. Wir empfehlen Rücksprache mit uns.