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DER KONSTRUKTEUR 10/2016

DER KONSTRUKTEUR 10/2016

KONSTRUKTIONSELEMENTE

KONSTRUKTIONSELEMENTE Ein neues Maschinenelement Linearfedern eröffnen neue konstruktive Möglichkeiten Christoph Hasenstab Die Linearfeder bietet präzise Federsteifigkeiten, die für jeden Anwendungsfall speziell berechnet werden. Daneben bietet dieses Federsystem bisher nicht dagewesene Möglichkeiten bei der Anbindung und Funktionsintegration. Christoph Hasenstab, Aachen Es gibt wenige Hersteller von Federn, die von den etablierten Konzepten, wie Teller- oder Schraubenfedern abweichen. Zwar werden Federn durch präzisere Auslegung, neue Werkstoffe und effizientere Fertigungsmethoden leistungsfähiger und preisgünstiger, jedoch gibt es bei den bestehenden Bauformen Grenzen der Anpassungsfähigkeit, welche die Eigenschaften stark limitieren. Ebenso sind Teller- und Schraubenfedern oftmals nicht optimal für die dynamischen Belastungen ausgelegt, sodass Ermüdungen zu veränderten mechanischen Eigenschaften der Feder führen. Mit der Linearfeder kommt eine Feder auf den Markt, welche nicht wie gewohnt in normierten Baugrößen lieferbar sein wird, sondern speziell für jede Anwendung zu entwickeln ist. Dabei wird die Struktur so gewählt, dass sie die mechanischen Anforderungen perfekt erfüllt und gleichzeitig eine möglichst lange Lebensdauer ermöglicht. Eine Struktur so belastbar wie simpel Der prinzipielle Aufbau der Feder ist von Federstegkupplungen bekannt. Diese Art von Wellenkupplungen bietet aufgrund von symmetrisch angeordneten Schlitzen sehr gute Eigenschaften bei axialer Druckbelastungen. Die Struktur bietet also hervorragende Voraussetzungen für den E insatz als Druckfeder. Dank des Aufbaus der Feder, welcher schematisch als eine Reihen- und Parallelschaltung von Balkenelementen gesehen werden kann, gibt es sehr klare Spannungsverhältnisse während der Belastung. Im Gegensatz zu Schraubenfedern wird durch die Druckbelastung keine ungewollte Torsion ausgeübt. Dabei bietet die Linearfeder über den gesamten Federweg ein proportionales, also lineares Verhältnis zwischen Kraft und Weg. 84 Der Konstrukteur 10/2016

Da jede Feder spezifisch für die jeweilige Anwendung ausgelegt wird, kann die gewünschte Federsteifigkeit sehr genau vorbestimmt werden. Bei dieser Auslegung werden die Entwickler von neuartigen Berechnungsalgorithmen unterstützt, welche eigens dafür in einer Forschungsarbeit an der RWTH Aachen entwickelt wurden. Damit die Federsteifigkeit exakt erreicht wird und gleichzeitig die Bauteilbelastungen möglichst gering bleiben, werden Tausende ähnlich dimensionierten Schraubenfedern oder Tellerfederpaketen deutlich. Schraubenfedern, Tellerfedern, Ringfedern nahezu alle Druckfedern auf dem Markt haben eines gemeinsam: Sie haben eine zylindrische Außengeometrie. Dagegen ist die Linearfeder eine der wenigen Federn, die Kontur unabhängig funktioniert. Eine Feder mit Vierkantaußenprofil ist genauso umsetzbar, wie eine Feder mit hexagonalem Profil. Auch Sonderformen wie Ellipsen Folgen Sie uns auch online! Linearfedern sind nicht wie alle anderen Federn an eine zylindrische Außengeometrie gebunden von möglichen Varianten verglichen und automatisiert stetig weiterentwickelt. Dabei kommt eine spezielle Optimierung zum Einsatz, welche sehr effizient nach den Regeln der biologischen Vererbung nur die besten Lösungen weiterentwickelt und somit immer weiter einem Optimum annähert. Dieser Vorgang wird an modernste FEM-Tools angebunden, sodass eine präzise Bewertung der einzelnen Lösungen innerhalb von kürzester Zeit möglich ist. Erhöhte Lebensdauer, flexible Geometrie Ein weiterer positiver Effekt, der mit der präzisen Auslegung der Federn einhergeht, ist die gesteigerte Lebenserwartung der Federn. Dadurch, dass die Feder genau auf die spätere Belastung ausgelegt ist, kann die gewünschte Lebenserwartung als eine Zielgröße in die Berechnung miteingehen. In Simulationen und praktischen Tests, zeigte sich diese Überlegenheit im Vergleich zu oder speziell an den Einbauraum angepasste Formen sind denkbar. Diese Flexibilität ist bislang bei Druckfedern von dieser Qualität absolut einmalig. Ebenso bietet diese Feder eine hohe Bandbreite an möglichen Werkstoffen. Die Flexibilität bezüglich der Geometrie hat auch noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: Die Feder kann direkt passende Aufnahmen erhalten, sodass zusätzliche Bauteile entfallen. Es ist z. B. möglich, Gewindeanbindungen, Kegelanschlüsse oder Flanschanbindungen direkt an das Bauteil anzubringen. Dadurch können in der Entwicklung von Baugruppen eine Vielzahl an Bauteilen eingespart werden. Das spart nicht nur Gewicht, sondern auch Bauraum und reduziert unnötige Kontaktflächen. Diese Eigenschaften machen die Linearfeder für eine Vielzahl von Branchen und für tausende mögliche Anwendungen zu einer sehr interessanten Alternative. www.linearfedern.com www.derkonstrukteur.de www.facebook.com/derkonstrukteur www.twitter.com/DerKonstrukteu Kommentar des Entwicklers und Autors Genetische Optimierungen bieten in der Bauteildimensionierung enormes Potenzial für präzise Auslegungen. Dabei können komplexe Entscheidungen getroffen werden, die die Funktion des Bauteils erheblich beeinflussen. Die genetische Optimierung ist gerade bei solchen Entscheidungen von großem Vorteil, bei denen kein klarer Trend zwischen einzelnen Lösungsvarianten erkennbar ist und manuelle Parameterstudien nicht zu dem gewünschten Ziel führen. Das Potential dieser Methodik zu nutzen, um eine hochpräzise und vor allem genau auf den Anwendungsfall angepasste Feder zu entwerfen, ist die Motivation für die Entwicklung dieser Algorithmen gewesen. google.com/+DerkonstrukteurDe hält Sie stets auf dem Laufenden Der Konstrukteur 10/2016 85

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