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Bild: Spiralförmig gewundene Blattfedern
Bild: Spiralfedern mit Windungszwischenraum

Spiralfedern mit Windungszwischenraum werden häufig in Form einer Archimedeschen Spirale gewickelt. Sie besitzen damit einen konstanten Windungsabstand Aw bzw. eine konstante Steigung h+aw. Der Windungsabstand soll eine Berührung der Windungen während des Betriebs verhindern und eine reibungsarme Funktion der Feder sicherstellen.  Die Federn werden so eingesetzt, dass das eine Federende mit der Welle und das andere Federende mit dem Gehäuse bzw. Gestell fest oder gelenkig verbunden ist. Die Einspannverhältnisse sind bei der Berechnung zu beachten. Die Verformung von Spiralfedern mit Windungszwischenraum wird als Winkel Fi in Abhängigkeit vom eingeleiteten Drehmoment n, von der gestreckten Fedelbanlänge l, vom Elastizitätsmodul E und vom polaren Flächenträgheitsmoment Iz ermittelt.

Bild: Spiralfedern mit Windungszwischenraum

Die vorhandene Spannung wird gemäß der für Biegebeanspruchung geltenden Grundbeziehung ermittelt. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass es infolge der Krümmung des Federbandes an dessen Innenfaser zu einer Spannungserhöhung kommt. Diese wird durch den Korekturfaktor kw berücksichtigt. Für Bandmaterial besitzt er in Abhängigkeit vom Krümmungsverhältnis w= 2r/h wie in der Tabelle aufgeführten Werte. Federarbeit und Abnutzwert werden auf die gleiche Weise wie bei anderen Biegefedern ermittelt. Für Spiralfedern aus Bandmaterial erhält man einen Abnutzwert von ηA =1/3.

Tabelle: Beilwerte kb zur Berücksichtigung des Krümmungseinflusses auf die Spannung
w = 2r/h 3 3,2 3,6 4 4,5 5 6 7 8 10 12 16
kb 1,30 1,27 1,23 1,20 1,18 1,16 1,13 1,11 1,10 1,07 1,06 1,04
Bild: Spiralfedern ohne Windungszwischenraum

Spiralfedern ohne Windungsabstand werden meist vorgespannt in ein Gehäuse eingebaut, das auch als Federhaus bezeichnet wird. Im freien, d.h ungespannten Zustand, besitzen sie n0 Windungen. Nach dem Einbau unterscheidet man zwei Zustände: den abgelaufenen vorgespannten Zustand 1, bei dem die Feder an der Gehäusewand Gang auf Gang anliegt, und den aufgezogenen entspannten Zustand 2, bei dem die Feder auf der Welle Gang auf Gang aufliegt.

Die Windungszahlen n1 im vorgespannten Zustand 1 und n2 im endgespannten Zustand 2 sind wesentlich größer als die Windungszahl n0 im ungespannten Zustand.

Bild: Spiralfedern ohne Windungszwischenraum

Auf Grund der Konstruktion der Spiralfeder und ihres vorgespannten Einbaus in ein Federhaus tritt während des Betriebs der Feder Windungsberührung auf, die zwangsläufig zu spürbaren Reibungsverlusten führt. Dieser Sachverhalt schlägt sich in der Federkennlinie nieder. Hierbei ist zwischen einer Kennlinie im Aufzugszustand und einer Kennlinie im Ablaufzustand zu unterscheiden. Die von beiden Kennlinien eingeschlossene Fläche entspricht der Energie, die während eines Arbeitsspiels durch Reibung verloren geht und in Wärme ungesetzt wird. Für die Berechnungen wird eine Ersatzkennlinie zugrunde gelegt, die sich an der Ersatzkennlinie orientiert.

Bild: Spiralförmig gewundene Blattfedern

Die mögliche Verformung der Spiralfeder ohne Windungszwischenraum wird durch die Gesamtdrehungszahl Ng ausgedrückt, die die Welle zwischen dem gespannten und ungespannten Zustand der Spiralfeder ausführen kann. Sie ergibt sich aus der Differenz der theoretisch erreichbaren Windungszahlen n1- und n2- im ungespannten bzw. gespannten Zustand. Diese sind vom Federkerndurchmesser DK, der dem Wellendurchmesser DW entspricht, vom Federhausdurchmesser DH, von der gestreckten Länge l der Feder und von der Dicke t des Federbandes abhängig.

Bild: Spiralförmig gewundene Blattfedern

Die Ermittlung der vorhandenen Spannung bezieht sich auch hier auf ihren Größtwert σbmax. Diese hängt vom größtmöglichen Biegemoment Mbmax ab, das sich aus dem Drehmoment M1 im abgelaufenen Zustand und der Gesamtumdrehungszahl ergibt.

Das Drehmoment M1 wiederum steht mit dem Drehmoment M01 im Zusammenhang, das sich aus der Auswertung der Ersatzkennlinie ergibt. Unter Berücksichtigung dieser Zusammenhänge errechnet sich das maximale Biegemoment schließlich aus dem Drehmoment M1 im abgelaufenen Zustand und den Abmessungen des Federhauses und der Feder.

Bild: Konstruktionsbeispiele für die Befestigung der Spiralfederenden

Die Befestigung der Spiralfedern am inneren und äußeren Federende muss so erfolgen, dass die der Berechnung zugrunde gelegten Einspannbedingungen erfüllt werden. Außerdem sind konstruktive, fertigungstechnische und wirtschaftliche Gesichtspunkte zu berücksichtigen.

Beispielsweise sind dies: die Einhaltung der erforderlichen Biegeradien, die Gewährleistung der erforderlichen Restquerschnitte bei Querschnittsschwächungen durch Aussparungen für Befestigungselemente, eine leichte Montage. Vorzug sollten stets Lösungen erhalten, bei denen die Federenden in entsprechende Formenelemente der Welle und des Gehäuses bzw. Gestells eingehangen werden, ohne dass eine Querschnittsschwäche notwendig ist.

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