Tellerfedern, auch Belleville-Federn genannt, sind ausgeklügelte mechanische Komponenten mit einer konischen Ringschalenstruktur, die Vielseitigkeit bietet. Diese Federn können auf verschiedene Arten zusammengestellt werden (in sogenannten „Tellerfederpakete“), sodass die Federeigenschaften und die Leistung genau an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden können. Durch die Kombination von Tellerfedern in unterschiedlichen Konfigurationen lassen sich Kräfte, Federwege und Eigenschaften optimieren. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf diese Zusammensetzungen und warum bestimmte Konfigurationen verwendet werden.
Die konische Form von Tellerfedern ermöglicht es, einzelne Federn auf unterschiedliche Weise zu kombinieren, so dass sogenannte „Tellerfederpakete“ entstehen. Dadurch können die Eigenschaften einer Federanordnung nahezu beliebig angepasst und auf die spezifischen Anforderungen zugeschnitten werden. Durch die Stapelung von Tellerfedern können vielfältige Kombinationen von Kräften und Federwegen erzeugt werden, wodurch es möglich ist, auf die Anwendung zugeschnittene Lastkurven zu konstruieren, sowohl progressive als auch degressive. Generell gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten:
Bei dieser Konfiguration werden Tellerfedern abwechselnd zu Säulen gestapelt, eine nach der anderen. Dies führt zu einem kontrollierten Verlauf der Federkräfte.
Bei dieser Anordnung sind alle Federn in die gleiche Richtung angeordnet, was zu einer erhöhten Reibung und einem erhöhten Hystereseeffekt führt. Das Ergebnis ist, dass die tatsächliche Belastbarkeit unter Belastung höher und unter Entladung niedriger ist als die berechnete Belastbarkeit. Der Hystereseeffekt kann durch geeignete Schmierung, beispielsweise Molybdändisulfidhaltiges Fett, reduziert werden. Allerdings erhöht die Parallelanordnung der Tellerfedern die Reibung und führt zu einem erhöhten Hystereseeffekt.
Bei einer parallelen Anordnung, bei der alle Federn in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, werden die Federkräfte progressiver. Das bedeutet, dass bei zunehmender Belastung die Federkräfte stärker ansteigen als bei einer Einzelfeder. Ebenso wird der Federweg progressiver, wenn Tellerfedern in Reihe geschaltet werden, was dem System eine lineare oder progressive Federkennlinie verleiht. Durch die Parallelschaltung mehrerer Tellerfedern kann eine deutliche Steigerung der Gesamtfederkraft erreicht werden.
Bei einer bahnbasierten Anordnung, bei der die Federn abwechselnd angeordnet sind, ist die Gesamtkraft gleich der Federkraft einer einzelnen Feder. Werden zwei Tellerfedern parallel geschaltet, ist die Gesamtkraft doppelt so groß wie die einer einzelnen Feder. Allerdings bleibt bei diesem Setup der Federweg identisch. Bei einer stegbasierten Anordnung von Tellerfedern, bei der die Federkräfte gebündelt werden, bleibt die Gesamtkraft die gleiche wie bei einer Einzelfeder, der Federweg addiert sich jedoch. Die Kombination beider Anordnungen führt zu einer Verdoppelung sowohl der Kräfte als auch des Federweges.
Unter Berücksichtigung von Reibung und anderen Einflüssen zeigt eine Federsäule beim Ausfedern kein gleichmäßiges Verhalten. Auf der Seite, auf der die Kraft ausgeübt wird, ist der Rückprall stärker. Dieser Effekt ist bei einer „normalen“ Federsäule normalerweise vernachlässigbar, bei längeren Federsäulen ist er jedoch entscheidend. Die unbelastete Länge einer Federsäule darf daher das Dreifache des Außendurchmessers nicht überschreiten. Ist dies der Fall, kann eine Stabilisierung durch eine Unterteilung der Säule mittels Führungsringen erreicht werden, deren Dicke idealerweise mindestens das Eineinhalbfache des Führungsdurchmessers betragen sollte.
Tellerfedern werden häufig nicht als Einzelfedern, sondern in Kombination mit mehreren gleichzeitig in einer Anwendung eingesetzt. Dies geschieht, um den Installationsanforderungen und den gewünschten Federeigenschaften gerecht zu werden. Es lässt sich nicht im Voraus sagen, welche Konfiguration die beste ist. Insbesondere bei begrenzten Platzverhältnissen ist es oft wichtig, so wenig Federn wie möglich zu verwenden. Aus diesem Grund wird beschlossen, den Außendurchmesser so groß wie möglich zu machen. Werden zu viele Tellerfedern verwendet, erhöht sich die Reibung und die ungleichmäßige Auslenkung der Federn. Um die Reibung zu reduzieren, werden nicht mehr 2 bis 3 Tellerfedern parallel zueinander gestapelt. Es sei denn natürlich, dass eine hohe Reibung gewünscht ist. Durch das Stapeln von Tellerfedern verändern sich Federrate, Federkraft und Federweg. Wechselnd gestapelte Einzeltellerfedern werden eingesetzt, wenn der Federweg der einzelnen Feder nicht ausreicht. Gleichgesinnte Tellerfedern kommen dann zum Einsatz, wenn hohe Federkräfte auf engstem Raum erreicht werden müssen. Ein großer Federdurchmesser ermöglicht eine geringe Einbauhöhe. Im Allgemeinen sollten nicht mehr als 2 bis 4 Federn in einer Dichtung gestapelt werden, da die Abweichungen zwischen den berechneten und gemessenen Kennwerten aufgrund der Reibung mit zunehmender Anzahl der Scheiben deutlich zunehmen.
Tellerfederpakete bieten eine hervorragende Möglichkeit, durch die richtige Montage Federeigenschaften, Federwege und Kraftverhältnisse zu optimieren. Durch die Wahl zwischen paralleler und sequentieller Anordnung können Konstrukteure die erforderliche Federungsleistung genau an die jeweiligen Anwendungen anpassen. Das Verständnis dieser unterschiedlichen Konfigurationen und der Zeitpunkt ihrer optimalen Anwendung ist für die Entwicklung effektiver Aufhängungssysteme in unterschiedlichen technischen Kontexten von entscheidender Bedeutung.
