Was ist eine Feder?
Federn sind Maschinenelemente, deren Werkstoffelastizität über eine geeignete Gestaltung genutzt wird, um bestimmte Funktionen zu realisieren.
Wie jedes Maschinenelement verfügen Federn über Wirkflächen, die im montierten Zustand der Feder mit dem umgebenden System Wirkflächenpaare ergeben. Eine Feder muss zur Einleitung der Federkraft mindestens zwei Wirkflächen besitzen.
In der aktuellen Einbausituation können weitere Wirkflächenpaare entstehen, die direkten Einfluss auf das Federungsverhalten bzw. die Energiebilanz (Reibung) haben.
Beschreiben Sie das Wirkprinzip einer Feder.
Grundlegendes Wirkprinzip einer Feder ist die Speicherung von Energie, die von der Feder jederzeit wieder abgegeben werden kann.
Wie werden Federn konstruktiv umgesetzt?
Die konstruktive Umsetzung erfolgt als mechanische, hydraulische, pneumatische und magnetische Feder.
Was passiert mit einer Feder, wenn an dieser eine Kraft angreift?
Feder längt sich (Hooksches Gesetz)
Welche Beanspruchungsarten gibt es für Federn?
Biegung
Schub
Zug/ Druck
Torsion
Federkennlinie mit Reibungsdämpfung
blau: Energie rein, rosa: Energie raus; rot: Energieverlust (Wärme, Reibung,…)
Federkennlinie ohne Dämpfung
abh. Durch Werkstoff oder bestimmte Schaltung der Feder
Auf welche Weisen lassen sich Federn zusammenschalten?
parallel = weggleich
seriell = kraftgleich
Wie setzt sich der Nutzungsgrad (Artnutzwert) zusammen?
Arbeitsvermögen der Feder / Arbeitsvermögen ihrer Werkstoffmenge
Nutzung des Federwerkstoffvolumens in Abhängigkeit von Gestalt und Belastung der Feder
Nennen Sie die Hauptfunktionen von Federn.
Kräfte elastisch leiten
potentielle Energie leiten
kinetische Energie wandeln
Wozu werden Federn genutzt? (Anwendungen)
Stoßisolierung: Stoßenergie auf längeren Wegen mit geringeren Kräften aufnehmen (Bsp.: Fahrzeugfedern, Pufferfedern)
Schwingungsisolierung: (aktiv/ passiv) durch Verlagern der Eigenfrequenz
Schwingelemente: verlagern den Betrieb in den Resonanzbereich. (Anwendung: Schwingsiebe, Wuchtförderer)
Federkennlinie einer Gummifeder mit innerer Dämpfung (dyn. Beanspruchung):
blau: Energie reingesteckt; rot: rausbekommen; dazwischen: Energieverlust
Einteilung von Federn:
Wie ist die Resonanzfrequenz definiert?
Welches Bild zeigt eine Ölfeder und welches einen Öldämpfer?
Bild 1:
Bild 2:
Bild 1: Ölfeder - Öl als kompressives Medium - Stange verdrängt Öl und damit erhöht sich der Druck
Bild 2: Öldämpfer
Kennlinie von Tellerfedern mit verschiedenem h/t:
Tellerfederkombinationen mit und ohne Reibungsdämpfung:
Resonanzkurve von Stahl- und Gummifedern: (Vergrößerungsfunktion)
Gummi: hohe Dämpfung; Ideal: keine Dämpfung (schwingt unendlich weiter)
Welche Besonderheiten weist die Gummifederung auf?
Beanspruchung aus Schub - Zug/Druck ebenfalls möglich
Werkstoffverhalten grundsätzlich isotrop, durch spezielle Bauweise ist allerdings eine ausgeprägte Anisotropie vorhanden.
Für welche Beanspruchung werden Elastomerfedern überwiegend eingesetzt?
Schubbeanspruchung
Für welche Belastungsart können Elastomer-Hülsenfedern verwendet werden?
Axialkräfte
Torsionsmomente
Erläutern Sie, warum für die Berechnung der Federrate einer druckbeanspruchten Elastomerfeder ein “rechnerisches E-Modul“ anstatt des Werkstoff E-Moduls verwendet wird.
Die Verformungsbehinderung durch die metallischen Befestigungsteile führt zu einer Vergrößerung der Federrate.
Skizzieren Sie eine Elastomer-Hülsenfeder und bezeichnen Sie die einzelnen Bauteile.
Welchen Zusammenhang haben Federrate und E-Modul?
Die Federrate und der Elastizitätsmodul (auch bekannt als E-Modul) sind zwei Größen, die in der Materialwissenschaft und Ingenieurwissenschaft verwendet werden, um das Verhalten von Materialien unter Belastung zu beschreiben.
Die Federrate ist ein Maß für die Steifigkeit einer Feder oder eines elastischen Elements. Sie gibt an, wie stark eine Feder bei einer bestimmten Kraft komprimiert oder gestreckt wird. Die Federrate wird normalerweise in N/m (Newton pro Meter) oder lbf/in (Pfundkraft pro Zoll) gemessen.
Der Elastizitätsmodul hingegen ist eine Materialkonstante, die das Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung in einem Material angibt. Er beschreibt die Steifigkeit eines Materials und gibt an, wie viel Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte Dehnung zu erreichen. Der Elastizitätsmodul wird in N/m² oder Pa (Pascal) gemessen.
Der Zusammenhang zwischen Federrate und Elastizitätsmodul besteht darin, dass die Federrate eines elastischen Elements direkt proportional zum Elastizitätsmodul des verwendeten Materials ist. Das bedeutet, dass ein Material mit einem höheren Elastizitätsmodul eine höhere Federrate aufweist und steifer ist, während ein Material mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul eine niedrigere Federrate hat und weicher ist.
Insgesamt sind die Federrate und der Elastizitätsmodul wichtige Parameter, um das Verhalten von Materialien und Federungssystemen zu verstehen und zu analysieren.
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