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Bild: Blattfeder mit veränderlichem Querschnitt

Bei Blattfedern mit veränderlichem Querschnitt können sich sowohl die Breite der Feder als auch ihre Dicke ändern. Ziel der Querschnittsveränderungen sind die Beeinflussung der Steifigkeit der Feder und die Beeinflussung der Materialauslastung im Sinne des Leichtbaus unter Kostenreduzierung. Typische Bauformen bei Federn mit veränderlicher Breite sind Trapezfedern. Bei Federn mit veränderlicher Dicke werden Blattfedern mit linearer Dickeabnahme und Blattfedern mit parabelförmiger Dickeabnahme, so genannte Parabelfedern, bevorzugt.

Bild: Blattfeder mit veränderlichem Querschnitt

Unter Trapezfedern versteht man Blattfedern mit veränderlicher Breite und konstanter Dicke. Die veränderliche Breite b wirkt sich auf äquatoriale Flächenträgheitsmoment Iz von x aus. Die Änderung der Breite kann durch die Funktion b von x beschrieben werden. Sie lässt sich durch Anwenden des Strahlensatzes auf eines der beiden Dreiecke ermitteln, um die sich Trapez und Rechteckfeder unterscheiden. Die Verformung S kann auf gleiche Weise wie für die Rechteckfeder aus der Differenzialgleichung der Biegelinie gewonnen werden. Unter Berücksichtigung des Breitenverhältnisses ß = b1 zu b0 und des Korrekturbeiwertes K1 zur Erfassung des Unterschieds zwischen Trapez- und Rechteckfeder kann die Verformung der Trapezfeder ermittelt werden. Sie ergibt sich aus der Verformung einer Rechteckfeder mit der Breite b0 an der Einspannstelle der Trapezfeder und deren Multiplikation mit dem Beiwert K1. Der Beiwert K1 ist aus einem Nomogramm ablesbar. Die Überprüfung der Spannung erfolgt auf die gleiche Weise wie bei der Rechteckfeder. Auch hier tritt die größte Biegespannung an der Einspannstelle der Feder auf. Das Biegemoment Mb ist unabhängig von der Federform. Die Federform wird im Widerstandsmoment gegen Biegung Wb berücksichtigt. In diesem Fall ist das Widerstandsmoment an der Einspannstelle Wb0 maßgebend. Auch die Federarbeit der Trapezfeder ermittelt sich auf analoge Weise wie bei der Rechteckfeder. Im Unterschied zur Rechteckfeder erfasst sie noch das Breitenverhältnis ß und den Korrekturbeiwert K1. Das Breitenverhältnis ß und der Korrekturbeiwert K1 finden auch im Abnutzwert ihren Niederschlag. Dieser besitzt in Abhängigkeit von ß zwei Grenzwerte. Für ß = 1 entsteht eine Rechteckfeder mit η = 1/9 und für ß = 0 erhält man eine Dreieckfeder mit η= 1/3. Somit erreicht die Dreieckfeder die beste Materialauslastung.

Bild: Blattfeder mit veränderlichem Querschnitt

Bei Blattfedern mit veränderlicher Dicke und konstanter Breite ist die Beschreibung der Dickenabnahme in Form einer Funktion h gleich h von x notwendig. Bei linearer Dickenabnahme ergibt sie sich auf analoge Weise wie bei Blattfedern mit veränderlicher Breite. Anstelle des Breitenverhältnisses Beta ist nun eine Größe Delta einzuführen, die das Dickenverhältnis h1 zu h0 enthält.

Für die Verformung S erhält man eine zu Blattfeder mit konstantem Querschnitt analoge Beziehung, in der die Unterschiede in der Steifigkeit über den Korrekturbeiwert K2 berücksichtigt werden. Der Korrekturbeiwert K2 ist aus einem Nomogramm ablesbar.

Ähnliche Aussagen gelten auch im Hinblick auf die Ermittlung und Überprüfung der Spannung σb und die Berechnung der Federarbeit bF und des Ausnutzwertes ηA.

Der Ausnutzwert kann im Fall der linearen Dickenabnahme zwischen ηA = 1/9 für Δ = 0 und ηA = 1/4 für Δ= 0,5 schwanken.

Andere gebräuchliche Funktionen für die Dickenabnahme sind die quadratische und die kubische Parabel. Es entstehen dann die sogenannten Parabelfedern, die vor allem als Tragfedern in Nutzkraftfahrzeugen zum Einsatz kommen.

Weitere Informationen hierzu sind der Literatur, meist nach Handbuchfedern, zu entnehmen.

Bild: Blattfeder mit veränderlichem Querschnitt

Die Darstellung der Korrekturbeiwerte K1 und K2 für Blattfedern mit trapezförmiger Querschnittsabnahme zeigt die Abhängigkeit dieser Größen von Breitenverhältnis β und δ. Bei Blattfeder mit veränderlicher Breite b und konstanter Dicke h, dargestellt im mittleren Bild, nimmt der Beiwert K1 mit größer werdendem β und damit einhergehender Zunahme der Breite b1 des freien Federendes ab. Damit wird die Blattfeder steifer. Bei Blattfeder mit veränderlicher Dicke h und konstanter Breite b, dargestellt im unteren Bild, nimmt der Beiwert K2 mit größer werdendem δ und der damit einhergehenden Verjüngung der Blattfeder zu. Damit wird die Blattfeder weicher.

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