Wie misst man die Kraft einer Feder ?

Die Messung der von den Federn entwickelten Kräfte ist einer der wichtigsten Tests zur Bestimmung der Qualität der Federn. Da alle Federn so ausgelegt sind, dass sie in einer bestimmten Aufnahme eine erwartete Kraft entwickeln, ist es unerlässlich, die Berechnungen und vor allem die Fertigungsparameter durch die Messung der Kräfte zu überprüfen.

In den meisten Fällen wird die Feder in einen Mechanismus eingebaut, der eine Ruheposition und eine Betriebsposition aufweist. Eine Feder wird daher durch die Festlegung von zwei Betriebshöhen, H1 und H2, definiert, und die zu erwartenden Belastungen werden gemessen, wenn die Feder auf H1 und H2 zusammengedrückt wird. Die geforderte Prüfung besteht somit darin, die von der Feder bei H1 und H2 entwickelten Kräfte zu messen. Bei einer Standardfeder beträgt die Toleranz 10 %, bei einer sogenannten Präzisionsfeder verringert sie sich auf 5 %.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Qualität der Messung:

Die Geometrie der Feder selbst:

Rundlauf der Windungen: Die Achse der Feder muss zentriert sein.

Rechtwinkligkeit der Auflageflächen. Insbesondere lässt sich eine bessere Wiederholgenauigkeit mit einer Feder erzielen, deren Auflageflächen geschliffen sind und deren letzte Windung bündig abschließt.

Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser: Eine „schlanke“ Feder neigt dazu, sich beim Zusammendrücken zu verbiegen (Knickung). In diesem Fall muss sie geführt werden, damit sie senkrecht bleibt. In der Regel werden dazu innere Führungsstifte verwendet. Diese Führungsstifte müssen sorgfältig ausgelegt werden, damit die Reibung der Feder am Führungsstift zum Zeitpunkt der Knickung minimiert wird und vor allem konstant bleibt.

Die innere Spannungsdichte: Manche Federn werden an der Grenze der zulässigen inneren Spannungsdichte berechnet. In diesem Fall arbeitet das Metall bei den ersten Druckversuchen im plastischen Bereich, und die Feder „dehnt sich“ ein wenig aus. Die bei einem ersten Versuch ermittelten Werte sind höher als beim dritten oder vierten Versuch. Um diese Schwankungen zu vermeiden, wird in der Regel empfohlen, vor der Messung eine bestimmte Anzahl an aneinanderliegenden Windungen (häufig 5) zu bilden.

Die Fertigungsparameter:

Die Gleichmäßigkeit der Eigenschaften des verwendeten Drahtes, die innerhalb einer Spule, vor allem aber von Spule zu Spule variieren können.

Die Gleichmäßigkeit der Einstellungen der Federwickelmaschinen.

Die Belastungen, denen der Draht beim Formen der Feder ausgesetzt ist, was manchmal dazu führt, dass die Feder vor der Messung „entspannt“ werden muss.

Die Eigenschaften der Messgeräte:

Geometrie der Platten: Die Platten müssen eine vollkommen ebene Oberfläche aufweisen, und beide Platten müssen exakt parallel zueinander sein.

Die Auflösung der Sensoren: Die Eigenschaften von Kraft- und Wegsensoren (Auflösung, Genauigkeit) sind natürlich entscheidende Faktoren.

Für den Kraftsensor werden in der Regel eine Genauigkeit von 0,1 % und eine Auflösung von besser als 1/1000 gefordert.

Für den Wegsensor ist eine Auflösung von 0,01 mm ausreichend, außer bei sehr kleinen Federn und Federn mit geringer Belastung. Besondere Aufmerksamkeit muss der Genauigkeit des Wegsensors bei Federn mit hoher Steifigkeit gewidmet werden, da in diesem Fall ein kleiner Fehler bei der Wegmessung zu einer großen Streuung bei der Kraftmessung führt.

Die allgemeinen Eigenschaften des Sensorträgers und vor allem dessen Steifigkeit.

Häufig gestellte Fragen zur Federmessung:

Was ist eine Zellenkompensation?

Dieser Begriff bezieht sich auf einen Vorgang, bei dem der Fehler der Wegmessung korrigiert wird, der zum einen durch die Verformung des Messrahmens und zum anderen durch die Verformung des Sensors verursacht wird.

Durch die Verwendung sehr steifer Rahmen und hochwertiger Sensoren lässt sich dieser Fehler erheblich reduzieren. Ein gut konzipiertes System weist einen Fehler von weniger als 0,15 mm auf. Bei sehr präzisen Messungen kann es jedoch erforderlich sein, diesen Vorgang durchzuführen.

Elektronisches Verfahren: Bei einigen elektronischen Systemen erfolgt die Korrektur über einen vom Hersteller berechneten Koeffizienten. Bei diesem Verfahren ist es nicht möglich, den Koeffizienten anzupassen und den Verschleiß sowie die Alterung des Gehäuses und des Sensors zu berücksichtigen.

Mechanisches Verfahren: Bei diesem Verfahren werden die Platten aneinander angelegt, eine Kraft aufgebracht, die der Kraft der gemessenen Federn entspricht, und der Wegsensor auf Null gestellt.

Müssen zur Bestimmung der Höhen H1 und H2 Anschläge verwendet werden?

Abgesehen von der Schwierigkeit bei der Einstellung der Anschlagpositionen darf nicht außer Acht gelassen werden, dass mechanische Anschläge eine Streuung aufweisen, die von der Annäherungsgeschwindigkeit oder sogar von der Änderung der Einstellung selbst abhängt. Diese Methode ist auf Fälle beschränkt, in denen sehr große Chargen von unerfahrenen Bedienern gemessen werden.

Ein erfahrener Bediener erzielt konsistentere und schnellere Ergebnisse, wenn er die Wegsensoren zur Positionierung auf H1 und H2 verwendet.

Bestimmte Softwareprogramme erfassen die Kraft in Echtzeit beim Übergang zu den Werten H1 und H2, ohne dass ein Stopp erforderlich ist. Dies ist eine sehr effiziente Methode, vorausgesetzt, die zugehörige Elektronik verfügt über eine hohe Abtastrate, um die Kraft so nah wie möglich an der gewünschten Höhe zu „erfassen“.

Was ist eine „Pfeil“-Maßnahme?

Manchmal möchte man den Kraftwert für eine bestimmte Durchbiegung ermitteln; dies wird als „Durchbiegungsmessung“ bezeichnet. Diese Messung ähnelt der Messung bei H1 und H2, allerdings entspricht in diesem Fall die Höhe H1 der freien Federlänge. In der Regel wird die Nullstellung dann festgelegt, wenn die obere Platte die Feder berührt.

Diese Methode wird recht häufig bei Torsionsfedern angewendet.

Wie misst man die lichte Höhe?

Um die Leerlaufhöhe zuverlässig und wiederholbar zu messen, legt man eine zu erreichende Mindestkraft fest und notiert den Wert der Auslenkung zu diesem Zeitpunkt.

Um jegliche Probleme im Zusammenhang mit Messrauschen zu vermeiden, wird empfohlen, diese Kraft auf das Dreifache der Auflösung des Sensors festzulegen.

Wie misst man die Höhe bei vollem Hub?

Als „Blockhöhe“ bezeichnet man die Höhe der Feder, wenn sie so weit zusammengedrückt ist, dass sich alle Windungen berühren. In diesem Zustand entspricht die Feder einem Metallblock. Es ist gefährlich, eine Feder mit einer Federprüfmaschine bis zur Blockhöhe zusammenzudrücken, da dabei sehr schnell die Belastungsgrenze der Maschine erreicht wird, da die Kraft exponentiell ansteigt, sobald die Feder „blockiert“ ist.