Mechanismen: Der Frühling

Die meisten Menschen denken wahrscheinlich erst dann an Federn, wenn sie knicken oder brechen, aber die meisten Federn auf der Welt sind ziemlich wichtig. Diejenigen, die nicht den Namen Slinky tragen.

Wir alle nutzen und begegnen täglich Dutzenden verschiedener Arten von Federn, ohne es zu merken. Werfen Sie einen Blick in die Welt der Federn und entdecken Sie Hunderte Variationen zum Thema Sprungkraft. Das Prinzip der Feder ist so einfach, dass sie auf nahezu jede erdenkliche Form und Größe erweitert und bearbeitet werden kann. Da die Feder als Mechanismus so viele Formen annehmen kann, gibt es tausende Anwendungsmöglichkeiten. Schauen Sie unter Ihr Auto, nehmen Sie einen einziehbaren Stift auseinander, öffnen Sie einen Hefter, eine Ofentür oder eine Sicherheitsnadel, und Sie werden ein oder zwei Federn finden.

Technisch gesehen ist eine Feder ein elastisches Objekt, das mechanische Energie speichert und diese beim Zusammendrücken, Dehnen oder Verdrehen wieder abgibt. Die älteste Form einer Feder, die der Mensch kennt, ist wahrscheinlich der Bogen beim Bogenschießen, gefolgt von den flachen Federn der Pinzetten aus der Bronzezeit. Antike römische Kutschen nutzten Blattfederaufhängungen für eine sanftere Fahrt auf diesen steinigen Straßen.

Spiralfedern, heute die gebräuchlichsten und bekanntesten, wurden erstmals im 15. Jahrhundert in Schlössern und Uhren verwendet. Im 19. Jahrhundert tauchten sie erstmals in Betten und Möbeln auf. In den 1980er Jahren waren sie regelmäßig in IBM-Tastaturen verbaut.

Federn können nach ihrer Form, ihrem Aufbau und ihrem Verwendungszweck klassifiziert werden. Die meisten Federn sind entweder gewickelt oder flach, es gibt jedoch unzählige kundenspezifische Federn in verschiedenen Formen. Zu den Hauptanwendungen von Federn gehört das Zurückbringen von Gegenständen in ihre Ausgangsposition, wie z. B. eine Fliegengittertür; Kraft messen, wie eine Waage; und Speichern von Energie für die spätere Verwendung, beispielsweise in einer mechanischen Uhr oder einem Aufziehspielzeug.

Federn bestehen meist aus Metall oder Kunststoff; Die Wahl hängt von der beabsichtigten Anwendung und Umgebung ab. Die meisten bestehen aus Federstahl, einer kaltgezogenen Kohlenstoffstahllegierung. Federn aus Kupferlegierungen wie Phosphorbronze und Berylliumkupfer sorgen für eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Kunststofffedern mögen unpraktisch erscheinen, aber sie sind in sensiblen Anwendungen wie der Lebensmittelverarbeitung und Röntgengeräten, die nichtmetallische Mechanismen aus inerten Materialien erfordern, durchaus nützlich.

Unabhängig von der Zusammensetzung kann eine gute Feder immer wieder ins Gleichgewicht zurückkehren, ohne dass dauerhafte Dimensionsschäden auftreten. Eine gut konstruierte Feder sollte über einen langen Zeitraum funktionieren, was wahrscheinlich der Grund dafür ist, dass so viele Federn unbemerkt und unbedacht bleiben, bis sie brechen.

Bitten Sie jemanden, eine Feder zu zeichnen, und er wird wahrscheinlich eine Druckfeder hinkritzeln. Wenn sie gequetscht oder komprimiert werden, werden sie kürzer. Diese kommen mit Sicherheit am häufigsten vor und sind in allem zu finden, von einziehbaren Kugelschreibern über Seifenspender und Flipperkolben bis hin zu Autoaufhängungen.

Beim Slinky handelt es sich um eine vorkomprimierte Schraubenfeder, deren Eigenschaften so verändert wurden, dass sie möglichst geschmeidig Treppen hinuntergeht. Nehmen Sie die Batterien aus etwas heraus und Sie werden wahrscheinlich konische Druckfederklemmen finden, die flacher zusammengedrückt werden, um Platz zu sparen.

Zugfedern sind am zweithäufigsten. Wenn sie gedehnt oder gezogen werden, werden sie länger. Dies sind die Federn, die Ihre Fliegengittertür schließen und Ihrem Trampolin Sprungkraft verleihen. Sie werden ähnlich wie Druckfedern hergestellt. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Zugfedern an den Enden Haken oder Ösen haben, um sie mit der oder den Lasten zu verbinden, die sie verlängern sollen. Diese Ohren werden hergestellt, indem eine oder mehrere der Endspulen nach außen gebogen werden, normalerweise senkrecht zur Ausrichtung der übrigen Spulen.

Der andere Unterschied ist der Abstand zwischen den Spulen. Eine Druckfeder dient zum Komprimieren, daher sind die Windungen weit genug voneinander entfernt, um Platz für die Komprimierung zu lassen. Eine Zugfeder wird gedehnt, so dass sich die Windungen in ihrer ungedehnten Position berühren.

Torsionsfedern ähneln Druckfedern, werden jedoch anders aktiviert. Während Drucksaiten auf Torsion bzw. durch Verdrehen des elastischen Materials beansprucht werden, werden Torsionsfedern auf Biegung beansprucht. Man findet sie in Wäscheklammern, Pop-up-Elektronikgeräten und vielen anderen Dingen mit Backen.

Die Belastung erfolgt auf die Federbeine in Richtung der Spulenwindungen. Torsionsfedern sind wie kleine aufgezogene Ausleger, die entweder ein Drehmoment liefern, wie bei der Wäscheklammer, oder diesem standhalten, wie beim Klammerentferner.

Eine weitere übliche Torsionskonfiguration ist der Torsionsstab, der in einigen Autoaufhängungen und in den Flügeltüren des DeLorean DMC-12 verwendet wird. Torsionsfedern können auch flach sein, wie die Spiralfedern in mechanischen Uhren, Spieluhren und anderen Aufziehspielzeugen.

Die Blattfeder ist eine Art nicht torsionale Flachfeder. LKWs und andere große Fahrzeuge verfügen häufig über Blattfederaufhängungen, die die Last gleichmäßig auf das Fahrgestell übertragen.

Je komplizierter etwas ist, desto mehr Federn hat es wahrscheinlich. Das Gleiche gilt für die Art der beteiligten Federn. Es hängt alles vom Bedarf ab. Ein Hefter verfügt über zwei Elemente: eine Zugfeder, die das Magazin vorschiebt, und eine Blattfeder, die den Hefter in die Bereitschaftsposition zurückbringt. Autos und Kassettenrekorder haben jeweils viele unterschiedliche Federn, obwohl sie im durchschnittlichen Auto um ein paar Hundert zahlreicher sind.

Viele Dinge erfordern eine spezielle Federwirkung, und dafür gibt es viele Arten von Spezialfedern, Einzelstücken und speziell angefertigten Drahtformen, wie zum Beispiel Splinte oder die Griffe einer Büroklammer. Federn können auch aus einem Stück gefertigt werden.

Wellenfedern werden anstelle von Druckfedern eingesetzt, wenn eine enge Lastumlenkung auf kleinem Raum erforderlich ist. Einige Elektromotoren spannen ihre Lager mit einer Art Wellenfeder vor, die den Geräuschpegel senkt.

Serpentinenfedern sind Zick-Zack-Federn, aus denen Stuhl- und Sofaaufhängungen bestehen. Ich vermute, dass das übliche Design des Kartoffelstampfers auf einer solchen Feder basierte.

Spiralfedern ähneln einer zusammenklappbaren Tasse, und Doppelspiralfedern sehen aus wie Croissants. Viele Tanktypen verwenden Spiralfederaufhängungen sowohl in vertikaler als auch horizontaler Konfiguration. Die Handschere in Ihrer Garage hat wahrscheinlich eine Doppelspirale; Sie scheinen für nicht viel anderes verwendet zu werden.

Das Seltsamste dürfte die Belleville-Waschmaschine sein. Hierbei handelt es sich um konische Scheiben, die in verschiedenen Konfigurationen gestapelt sind, um unterschiedliche Arten des Rückpralls zu ermöglichen. Sie kommen am häufigsten in Landminen vor.

Was verleiht Federn ihre Elastizität und Sprungkraft? Bei Federstahl hängt die Elastizität von der Art und Weise ab, wie die Moleküle interagieren. Im Ruhezustand sind die anziehenden und abstoßenden Kräfte im Inneren ausgeglichen.

Wenn eine Druckfeder zusammengedrückt wird, baut sich die Abstoßungskraft auf, und wenn man die Feder loslässt, werden die Moleküle auseinandergedrückt. Bei einer Zugfeder baut sich durch Dehnen der Windungen die Anziehungskraft auf, und durch Loslassen der Feder werden die Moleküle zusammengezogen.

Immer wenn eine Kraft auf eine Feder jeglicher Art einwirkt, wird der Betrag der Bewegung, der in der Feder resultiert, als Auslenkung bezeichnet. Die meisten Federn, die innerhalb ihrer Elastizitätsgrenze betätigt werden, gehorchen dem Hookeschen Gesetz, das besagt, dass die zum Komprimieren oder Dehnen einer Feder erforderliche Kraft (F) gleich dem Produkt aus der Federkonstante (k) mal der zurückgelegten Strecke (x) (auch bekannt als ihre Auslenkung) ist ). Mit anderen Worten: Die Kompression oder Dehnung einer Feder ist proportional zu ihrer Kraft.

Nicht alle Windungen einer Feder verformen sich unter Belastung. Jede Feder mit geschlossenen Enden verfügt über inaktive Windungen, die keiner Belastung standhalten. Am wichtigsten ist vielleicht, dass Federdesigns die Anzahl der aktiven Spulen berücksichtigen müssen, die für die Arbeit erforderlich sind.

Für Produkthersteller gibt es keine Standardlösung für Konstruktionen, die Federn erfordern. Ihre Federn müssen auf der Grundlage der gewünschten Abmessungen und Durchbiegung individuell angefertigt werden.

Metallfedern beginnen mit einer Spule aus gezogenem Stahlseil, das entweder ein rundes, quadratisches oder rechteckiges Profil hat. Die Schnur wird einer Formmaschine zugeführt, die für die Herstellung eines bestimmten Federtyps eingerichtet ist. Das Einrichten der Maschine kann eine Stunde oder länger dauern, aber sobald sie einmal eingestellt ist, kann sie Zehntausende Federn pro Stunde herstellen.

Druckfedern werden einfach mit den gewünschten Endformationen gewickelt und abgeschnitten. Bei der Herstellung von Zugfedern biegt die Maschine die erste oder zwei Windungen im 90°-Winkel nach außen, um einen Haken zu formen. Dann wickelt es den Rest der Feder auf, formt den anderen Haken und schneidet ihn ab. Einige Haken werden je nach Material und Kundenwunsch von Hand geformt.

Die fertigen Federn werden dann erhitzt, um das Metall zu entspannen, wodurch die Spannungen beim Aufwickeln abgebaut werden und sie nach dem Biegen ihre Form behalten. Einige Federn werden in einem Prozess namens Kugelstrahlen mit einem Hochgeschwindigkeitsstrahl von Pellets gestrahlt, um ihnen zusätzliche Festigkeit zu verleihen.

Die meisten Federn für Endverbraucher sind kalt gewickelt. Bei Drahtdurchmessern über 16 mm werden sie heißgewickelt, wie Sie unten sehen können. Heißgewickelte Federn finden sich in Automobilen, Land- und Baumaschinen sowie Lokomotivaufhängungen.

Nehmen wir an, Sie haben ein Design, das von der Elastizität profitieren könnte. Wenn Sie im Federsortiment von Microcenter nicht die Feder finden, die Sie brauchen, können Sie Ihre eigene Feder aus Saitendraht herstellen, wenn Sie Zugang zu einer Drehmaschine und einem Dorn haben. [ThisOldTony] kann bei den Details helfen. Haben Sie Ihre eigenen Federn hergestellt? Lass es uns in den Kommentaren wissen.

Auch wenn wir beim Thema Federn gerade erst angefangen haben, an der Oberfläche zu kratzen, hoffen wir, dass Sie Respekt vor diesen fleißigen Mechanismen gewonnen haben.