Was ist eine Spiralfeder?
Eine Spiralfeder ist eine gewundene Feder, die hauptsächlich aus Metalldraht besteht. Durch Anlegen einer äußeren Kraft zum Zusammendrücken, Ziehen oder Verdrehen kann eine Kraft im Inneren gespeichert werden, und die innere Energie wirkt als Rückstellkraft (Abstoßungskraft).
Spiralfedern für Druckanwendungen werden als Druckfedern bezeichnet, für Zuganwendungen als Zugfedern und für Verdrehanwendungen als Torsionsspiralfedern oder Torsionsfedern.
Spiralfedern werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, um Stöße und Vibrationen zu dämpfen, die von Maschinen, Alltagsgegenständen und Spielzeugen erzeugt werden, die eine Rückholbewegung erfordern, wie z. B. Druckknöpfe, sowie in Kraftfahrzeugen und Werkzeugmaschinen.
Anwendungen von Spiralfedern
Spiralfedern werden hauptsächlich für zwei Funktionen verwendet: Sie kehren aufgrund von Rückstellkräften in ihre ursprüngliche Länge zurück und dämpfen Stöße und Vibrationen durch Verformung und Speicherung von Energie.
Zu den Produkten, bei denen Abstoßungskräfte zum Einsatz kommen, gehören Kugelschreiber, die ihre Mine nach zwei Klicks zurückziehen, Fahrradschlösser, die sich automatisch entriegeln und Maßbänder, die sich automatisch aufrollen lassen.
Beispiele für stoßdämpfende Anwendungen sind Autoaufhängungen, die das Schwanken und die Vibrationen, die von der Straßenoberfläche auf das Innere des Autos übertragen werden, reduzieren, und Stoßdämpfer, die am Ende von Tarzan-Seilen angebracht sind.
Funktionsweise der Spiralfedern
In einer Spiralfeder wirkt die elastische Energie des gewickelten Drahtes als Rückstellkraft aufgrund der plastischen Verformung des gewickelten Drahtes. Die Größe der Rückstellkraft ist daher proportional zur Druckverschiebung, und der Wert, den man erhält, wenn man die Rückstellkraft durch die Verschiebung (Verformung) teilt, wird als Federkonstante bezeichnet. Mit zunehmendem Drahtdurchmesser nimmt auch die Federkonstante zu; es werden Spiralfedern mit einer großen Bandbreite an Federkonstanten hergestellt.
Da die Federkonstante ein Wert ist, der die Eigenschaften einer Spiralfeder angibt, sind diese Federkonstante und die Länge der Feder bei der Auswahl einer Spiralfeder wichtig.
Bei der Verwendung als Abstoßungskraft wird die Federkonstante anhand der vorgesehenen oder erwarteten Auslenkung und der zu erzeugenden Abstoßungskraft geschätzt.
Bei der Verwendung als Stoßdämpfer wird die Federkonstante aus der Länge des ausgelegten Weges und der erwarteten Momentanbelastung bestimmt. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die Eigenfrequenz des gesamten Systems nicht mit der Frequenz der von außen einwirkenden periodischen Kraft übereinstimmt (geringere Wahrscheinlichkeit einer Resonanz). Bei stoßdämpfenden Anwendungen werden sie häufig mit Dämpfern kombiniert, die eine Widerstandskraft ausüben, die proportional zur Änderungsrate der Verschiebung ist.
Spiralfedern in zahnmedizinischen Anwendungen
Spiralfedern werden als kieferorthopädische Geräte in der Kieferorthopädie eingesetzt. Das bedeutet, dass bei der kieferorthopädischen Behandlung durch die Rückstellkraft der Spiralfedern eine zusätzliche Kraft auf die Zähne ausgeübt wird.
Spiralfedern werden beispielsweise aus einer Kobalt-Chrom-Legierung hergestellt.
Die Art der Feder wird je nach Richtung der Zahnbewegung und der aufgebrachten Kraft ausgewählt.
Offene Spiralfedern werden verwendet, um den Abstand zwischen den Zähnen zu vergrößern, wobei sich die Feder in der eingezogenen Position befindet und die Enden an anderen kieferorthopädischen Geräten befestigt sind.
Geschlossene Federn werden verwendet, um den Abstand zwischen den Zähnen zu verringern, indem die Feder zwischen den Zähnen ausgezogen wird, um die Lücke zu schließen, und die Enden an anderen kieferorthopädischen Geräten befestigt werden.
Bei der Verwendung von Spiralfedern aus Metall muss deren Verträglichkeit mit dem Körper geprüft werden, um z. B. sicherzustellen, dass der Patient nicht allergisch reagiert.
Spiralfedern für Kfz-Anwendungen
Zu den Spiralfedern für Kraftfahrzeuganwendungen gehören Federungen.
Die spezifische Konfiguration einer Federung ist eine Kombination aus Spiralfedern und Stoßdämpfern.
Bei dieser Konfiguration bestimmen der Drahtdurchmesser, die Länge und die Anzahl der Windungen der Spiralfedern die Federkonstante und andere Eigenschaften derselben. Je länger die freie Länge der Spiralfedern ist, desto größer ist der Federweg.
Es gibt drei Arten von Spiralfedern: Spiralfedern mit gleicher Steigung und gleichem Windungsabstand, Spiralfedern mit ungleicher Steigung und unterschiedlichem Windungsabstand sowie Spiralfedern mit nichtlinearer Steigung und unterschiedlichen Windungsdurchmessern.
Spiralfedern mit gleicher Teilung absorbieren Stöße über ihre gesamte Länge, während Spiralfedern mit ungleicher Teilung Stöße bei engeren Teilungen weicher, bei breiteren Teilungen hingegen stärker absorbieren. Bei nichtlinearen Systemen ist die Reaktion auf den Stoß umso weicher, je größer der Durchmesser der Spule ist.
Spiralfedern absorbieren Stöße, aber es dauert einige Zeit, bis die Schwingungen reduziert sind. Stoßdämpfer, die mit Spiralfedern kombiniert werden können, können aufgrund ihrer Dämpfungsfunktion Schwingungen früher unter Kontrolle bringen.