Was ist eine Feder?
Eine Feder ist ein technisches Bauteil, welches zum Speichern oder Abfangen von Kräften verwendet wird. Die Federkonstante wird zum Berechnen der Federkraft bzw. des Federweges verwendet.
Das Speichern von Kräften nennt man "Spannen". Das Abfangen wird "Dämpfen" genannt. Federn gibt es in vielen Bauformen. In Kugelschreibern und Fahrwerken von Autos findet man Spiralfedern. Die Kupplung eines Fahrzeugs wird durch eine Tellerfeder gespannt. Blattfedern wurden früher bei Kutschen verwendet. Man findet sie heute noch bei LKWs und Zügen. Torsionsfedern sind Stahlstäbe, welche durch Verdrehen eine Federwirkung besitzen. Diese werden häufig in Kettenfahrwerke von Baggern, Raupen oder Panzern eingebaut.
Was ist die Federkonstante?
Die Federkonstante ist ein Wert, der einer Feder zugesprochen wird. Man verwendet die Federkonstante, um die Feder für den gewünschten Zweck auslegen und berechnen zu können. Andere Bezeichnungen für die Federkonstante ist die Federhärte, Federrate, Federsteifigkeit, Richtgröße oder Direktionskonstante. Sie errechnet sich aus der Auslenkung der Feder mit der dazu notwendigen und resultierenden Kraft.
Das bedeutet: Je mehr die Feder gedehnt wird, desto mehr Kraft muss aufgewendet werden. Der Quotient aus Dehnung und Kraft ergibt die Federkonstante. Bei linearen Federn - und dazu zählen im Grunde alle Federn - ist dieser Wert immer gleich. Dies gilt aber nur bis zum Erreichen der Elastizitätsgrenze. Eine Feder, welcher darüber hinaus beansprucht wird, ist defekt und kann nicht mehr verwendet werden.
Die SI-Einheit der Federkonstanten ist N/m = kg/s2.
Wozu dient die Federkonstante?
Konstrukteure haben in der Regel ein Platzproblem. Eine technische Einheit soll stets so kompakt, leicht und flexibel wie möglich montiert werden. Federn, gleich welcher Bauart, tendieren zu einem hohen Raumbedarf. Da an Federn wiederum Teile befestigt sind, überträgt sich der Raumbedarf einer Feder auf alle Bauteile, die mit ihr in Zusammenhang stehen. Darum sind konstruktiv möglichst kurze Federwege bevorzugt.
Die Federkonstante erlaubt dem Konstrukteur eine Länge der Feder zu definieren. Da die aufgebrachten Kräfte ebenfalls bekannt sind, kann mit der Federkonstanten, der Spannkraft und der gewünschten Länge die passende Feder ausgesucht werden.
Rechnen mit der Federkonstanten
Die Federkonstante D ist der Quotient aus der Spannkraft F und der Auslängung (bzw. Federweg) ∆L. Das Berechnen der Federkonstante funktioniert mit folgender Gleichung:
D = F/∆L
D - Federkonstante (N/m bzw. kg/s2)
F - Federkraft (N)
∆L - Auslängung / Federweg (m)
Je nachdem welche zwei Größen gegeben sind, kann man über diese Formel die jeweils dritte, unbekannte Größen (Federkonstante, Federkraft oder Federweg) berechnen.
Berechnung einer Feder, die durch eine Masse m belastet wird
Bezeichnung hier: Federkonstante k; Federweg s; Federkraft FS
Federkonstante eines Stabes
Verantwortlich für die Federkonstante ist die Form, das Material und die Belastungsrichtung. Auch ein einfacher Stab kann als Feder betrachtet werden. Die Berechnung der Federkonstanten erfolgt hier über den Querschnitt, die Länge und das E-Modul. Es gilt beispielsweise für einen Stab:
D= E•A/L0
E - das Elastitzitätsmodul der Feder (N/m2)
A - Querschnittsfläche (m2)
L0 - Länge des Stabes (m)
Die spezifischen Eigenschaften einer Feder werden mit dem Zugversuch überprüft.