Lebensdauer und Ermüdung einer Feder

Eine Feder wird als haltbar angesehen, wenn sie keine Kraft verliert oder bei Durchführung eines bestimmten Federweges nicht unter einer gegebenen Kraft verkürzt wird oder bricht, so dass die Funktion gestört oder eliminiert wird. Falls eine Feder haltbar sein soll, darf die Spannung im Werkstoff nicht höher sein, als es die Stärke des Werkstoffes erlaubt.

Wenn eine Last auf ein Stück Metall aufgebracht wird, biegt dieses zunächst elastisch durch; falls die Last hoch genug ist, geschieht dies auch plastisch. Elastisches Durchbiegen liegt vor, wenn das Material nach der Entlastung zur früheren Form/Geometrie zurückfindet. Bei plastischer Verformung bekommt das Metall eine permanente Verformung und kehrt nicht zu seiner früheren Form/Geometrie zurück. Es ist der elastische Teil der Durchbiegung, welcher normalerweise die Durchbiegung bei haltbaren Federn erfährt.

Die Funktion Spannung/Durchbiegung wird im Gesetz von Hook dargestellt, in welchem der Elastizitätsmodul E für normale und G für Scherspannung beschrieben wird. Modul E und Modul G sind die Werte, welche das elastische Verhalten von Metallen beschreiben. Ein niedriger Wert steht für eine größere Durchbiegung als eine hohe Zahl bei gleicher Spannung. Ein Metall mit hoher Stärke kann normalerweise bis zu einem höheren Spannungsgrad belastet werden, ohne den Grenzwert zu überschreiten, bei dem die Durchbiegung plastisch wird, daher eine elastischere Durchbiegung. Der Spannungswert, zu dem das Metall beginnt, sich plastisch durchzubiegen, ist die Streckgrenze des Werkstoffs. Die ultimative Zugfestigkeit ist die Spannung, bei welcher das Metall bricht.

Zwei weitere Werkstoffeigenschaften sind von großer Wichtigkeit für Federn: Kriechen/Entspannung und Ermüdung. Ein physikalisches Phänomen bei den Metallen ist, dass eine sehr langsame plastische Verformung bei Spannung unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffs stattfindet. In der Federnindustrie wird dies Phänomen "Kriechen" genannt, wenn eine Feder unter konstanter Last an Länge verliert, und es handelt sich um "Entspannung", wenn eine Feder bei konstantem Zusammendrücken Last verliert.

Wie weit Kriechen/Entspannung führen, hängt von der Temperatur, der Spannung im Metall, der Streckgrenze des Metalls und der Zeit ab. Erhöhte Temperatur, Spannung und Zeit steigern das Kriechen/die Entspannung ebenfalls. Insbesondere Temperatur und Spannung haben einen hohen Einfluss. Lesjöfors führt regelmäßig Entspannungs- und Kriechtests bei unterschiedlichen Werkstoffen und verschiedenen Federntypen durch; wir liefern Informationen und Kenntnisse über diese wichtige Eigenschaft "Kriechen/Entspannung". Das nachfolgende Diagramm zeigt, wie die Entspannung von der Zeit, einem bestimmten Werkstoff, der Spannung und der Temperatur abhängt.

relaxation

Ein anderes Phänomen bei Metallen ist, dass bei pulsierender Spannung unterhalb der Streckgrenze der Werkstoffe für Federn diese Werkstoffe wegen Ermüdung brechen können.

Ein Ermüdungsproblem bei Federn beginnt mit der Entwicklung eines Mikro-Ermüdungsrisses, welcher mit jeder Pulsierung wächst. Wenn die Spannung im verbleibenden Werkstoff die ultimative Streckgrenze erreicht, bricht die Feder. Das Ermüdungsrisiko hängt unter anderem sehr von dem Spannungsnennwert in der Feder, der Amplitude der Pulsierung und der ultimativen Streckgrenze des Werkstoffs ab. Es sollte angemerkt werden, dass Werkstoffe mit derselben chemischen Analyse und Stärke eine unterschiedliche Ermüdungseigenschaft aufweisen können, weil auch andere Werkstoffeigenschaften Einfluss haben.

Auch Temperatur und Korrosion beeinflussen die Ermüdungsstärke einer Feder. Wird eine Ermüdungsstärke getestet, macht es die Ausbreitung erforderlich, statistische Methoden anzuwenden, um verlässliche Ergebnisse zu erhalten und die Risikostufen hinsichtlich Brüchen oder Sicherheitsfaktoren zu berechnen. Lesjöfors führt regelmäßig Ermüdungstests an unterschiedlichen Werkstoffen und verschiedenen Federntypen durch; wir liefern Informationen und Kenntnisse über diese wichtige Eigenschaft "Ermüdung". Das nachfolgende Diagramm zeigt, wie die Ermüdungsstärke in einer Anzahl von Pulsierungen von unterschiedlichen Spannungsstufen, einem bestimmten Werkstoff und der Temperatur abhängt.

fatigue strength

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