Durch Maximo-Prinzip wird die speicherbare Energie pro Volumeneinheit „Federstahl“ um 30 % gesteigert. Bilder: Hugo Kern und Liebers

Die spezifische Werkstoffbeanspruchung ist bei Maximo-Federn höher als bei konventionellen Triebfedern.

Beschichtete Spiralfeder aus elektronischem Meßsystem.

Meßsystem mit Spiralfeder.

Rollfeder im Kraft/Weg-Diagramm.

Rollfeder in Ausführungen als Zug- und als Druckfeder.

Memory-Federn zur mechanischen Speicherung der Sitzstellung bei zweitürigen Pkw mit Einsteigehilfe.

Transport-Roller für die Postverteilung: Über Gewichtskompensation mit einer Triebfeder wird die Postbox in optimaler Greifhöhe gehalten.

Einstellbarer Balancer mit großer Auszugslänge für Werkzeuggewichte bis 40 kg.

Vorschubmechanismus für Cupholder: Das kleine Zahnrad unter der Feder besorgt die gleitende Öffnung.

Klassiker der Moderne

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In vielen Anwendungen werden aus Komfort- und Designgründen Bedienungselemente und Einrichtungen von Federkräften unterstützt bewegt. Als Antriebselement finden sich neben Trieb- und Spiralfedern auch Rollfedern, also klassische Maschinenelemente der Feinwerktechnik und des Uhrenbaus. Beispiele für den Einsatz im Auto sind Cupholder, Aschenbecher, Radio-Abdeckblenden oder bewegliche Ablagefächer. In den letzten Jahren haben auch in den privaten Lebensraum Bedienelemente und Ausstattungen Einzug gefunden, die zur Steigerung des Komforts und unter dem Aspekt eines ästhetischen und funktionellen Gesamtdesigns mit Kraftunterstützung durch eine Feder ausgestattet sind. Typische Anwendungen aus dem automobilen Bereich sind bewegliche Ablagen wie Cupholder, Aschenbecher oder bewegliche, ausfahrbare Boxen zur Aufbewahrung von Compact Discs. In Hifi-Geräten aber auch in Waren-Displaysystemen finden sich federgetriebene Vorschubsysteme. Solchen komfortbetonten Einrichtungen liegt als gemeinsame Konstruktionsidee die Kombination aus einer Antriebsfeder mit einem Dämpfungselement zu Grunde. Sie erfüllen dann die Aufgabe einer „kraft- und geräuschlosen“, sanft gleitenden Öffnung beziehungsweise Bewegung, die auf Knopfdruck ausgeführt wird. Es soll die Assoziation eines motorischen Antriebs entstehen, der geräuschlos und ruckfrei arbeitet. Eine andere, oft im Verborgenen ausgeübte Tätigkeit von Antriebsfedern ist das Bereitstellen einer Notlauffunktion von ansonsten elektrisch angetriebenen Systemen. Hier wird im Normalfall die Bewegung durch einen Elektromotor ausgeführt. Im Fall eines Defekts soll aber trotzdem ein „fail-safe“ in Form eines definierten Öffnens oder Schließens erfolgen. Zum Beispiel enthalten Verriegelungen für Tankklappen aus diesem Grund eine Antriebsfeder.
Last but not least gibt es noch eine Reihe von Anwendungen, bei denen die Federn als Kraftunterstützung für den Bediener eingesetzt werden – beispielsweise, wenn sich im Falle eines ergonomisch ungünstigen Bewegungsablaufs der Kraftaufwand durch Federeinsatz in eine Richtung reduzieren lässt. Typische Anwendungen sind mechanische Fensterheber oder verstellbare Umlenkbeschläge. Im folgenden werden die wesentlichen technischen Federeigenschaften der oben erwähnten Typen vorgestellt und dann am Beispiel einiger konstruktiver Ausführungsformen darauf hingeführt, wo für ähnliche Applikationen noch ein Nutzungspotenzial besteht.

Der Nürnberger Uhrmachermeister Peter Henlein war der erste, der ein Stahlband um eine Achse wand und dabei feststellte, dass durch das Bestreben des Bandes, sich wieder in die gestreckte Lage zu bewegen, Antriebsenergie zum Betreiben einer Taschenuhr gewonnen werden kann. Diese Erkenntnis führte dazu, dass durch die technische Nutzung einer solchen Triebfeder ein breites Anwendungsgebiet erschlossen werden konnte. Das Grundprinzip der Erzeugung einer Drehbewegung mit nutzbarem Moment wurde im Lauf der Zeit verfeinert. Während die Triebfeder ihre Energie aus der Arbeitsdifferenz zwischen gestrecktem und aufgewickeltem Zustand bezieht, wurde bei der sogenannten Maximo-Feder der Effekt in der Weise erhöht, dass die Ausgangsbasis nicht ein gestrecktes Band ist, sondern ein der späteren Aufwickelrichtung entgegengesetztes, vorgekrümmtes Band. Somit wird die nutzbare Arbeit bezogen aus der Summe von „negativ vorgekrümmt“ bis „gestreckt“, plus der Arbeit „gestreckte Lage“ zum „aufgewickelten“ Zustand. Die spezifische Beanspruchung des Werkstoffs ist natürlich bei der Maximo-Feder deutlich höher als bei der konventionellen Triebfeder, was für die praktische Anwendung die Entwicklung hochfester Federwerkstoffe notwendig machte. Heute verfügen wir über kaltverfestigte Federstähle, die speziell bei Anwendungen mit kleinen Drehmomenten die Triebfedern verdrängt haben. Dennoch gibt es Aufgaben, die hinsichtlich der Kennliniencharakteristik und der Dämpfungseigenschaften besser von Triebfedern erledigt werden.
Zur Beschreibung der Federeigenschaften wird üblicherweise die Drehmoment-Umdrehungskennlinie herangezogen. Als Richtwert für praktische Anwendungen kann eine nutzbare Umdrehungszahl von 3 bis 40 Umdrehungen (Triebfeder: 3 bis 15 Umdrehungen) bei einem Drehmoment von 10 Nmm bis 500 Nmm gelten. Den Triebfedern sehr ähnlich von der physikalischen Herleitung des Wirkprinzips sind die Spiralfedern. Bei diesen Federn, die für ihre Linearität bezüglich der Kennliniencharakteristik bekannt sind, weisen die Windungen einen konstanten Windungsabstand auf. Neben Aufgaben in Messsystemen finden sich Anwendungen, bei denen Schwenkbewegungen erzeugt werden. Das Drehmoment ist linear und proportional zum Drehwinkel ansteigend. Die Anwendungen als Antrieb sind begrenzt durch eine maximal nutzbare Umdrehungsanzahl von zwei bis drei Umdrehungen. Bei Verwendung in Meßsystemen wird in der Regel nur ein Arbeitsbereich kleinergleich 180 Winkelgrad genutzt, weil die Aspekte der Linearität und Reibungsarmut im Vordergrund stehen.
Rollfedern – physikalisch gesehen, stellen sie das Umkehrprinzip der Triebfeder dar – sind sowohl geeignet als Antriebselement für Drehbewegungen, als auch in Form von Zug- oder Druckfedern für Linearbewegungen. Die Rollfeder ist im Ruhezustand aufgerollt und wird durch eine äußere Kraft gestreckt. Als Drehmoment-Erzeuger wird die Rollfeder überwiegend nicht im automobilen Bereich eingesetzt. Typische Anwendung ist zum Beispiel ein Kabel-Aufroller für Staubsauger. Im Automobil finden sich Rollfedern zum größten Teil bei langhubigen Linearbewegungen. Der englische Name für Rollfedern – constant force springs – liefert eine Begründung hierfür. Im Gegensatz zu allen anderen Lösungen mit Federn, die in Abhängigkeit von der Auszugslänge immer eine mehr oder weniger steil steigende Kennlinie aufweisen, lassen sich Rollfedern je nach Kundenwunsch auf einen gleichbleibenden, sinkenden oder auch geknickten Kraftverlauf einstellen. Eine Eigenschaft, die gerade bei „car interior“-Produkten häufig benötigt wird. Hier gilt es des Öfteren, eine Hubbewegung von mehreren Zentimetern auszuführen oder zum Beispiel eine CD auszuwerfen. Eine nachteilige Eigenschaft von Rollfedern ist ihre begrenzte Lebensdauererwartung. Dies speziell dann, wenn enge Bauräume zu einer hohen Werkstoffbeanspruchung der Bauteile führen. Für Applikationen im Personenkraftwagen ist jedoch üblicherweise eine erreichte Lebensdauer in der Größenordnung von 5000 bis 70000 Zyklen voll ausreichend. Für diese Anwendungen liegen die Kräfte typischerweise im Bereich von 0,5 N bis 10 N in Verbindung mit Auszugslängen von 50 mm bis 250 mm.
Die Vielfalt der Anwendungen von Federelementen wird erst demjenigen bewusst, der einmal gezielt auf die Suche geht. Aus der täglichen Arbeit sollen einige typische Applikationen und die dazugehörigen Federarten aufgelistet werden. Natürlich führen viele Wege zum Ziel, und für fast jede konstruktive Lösung mit einer Rollfeder gibt es ein Pendant mit Trieb- oder Drehfeder und auch umgekehrt.

Federn als Antriebselemente stellen eine erprobte und kostengünstige Lösung als Alternative zu elektromotorischen angetriebenen Konstruktionen dar. Je nach dem zur Verfügung stehenden Bauraum, den Kraft/Weg-Anforderungen und der gewünschten Lebensdauer, kann der Konstrukteur auf eine breite Palette von Konzepten zur Realisierung der Bewegungsabläufe zurückgreifen. In der Literatur werden viele Konstruktionen auf Basis von Zugfedern oder Dreh- bzw. Schenkelfedern dargestellt. Lösungsansätze auf Basis von Trieb- und Rollfedern hingegen sind weniger bekannt. Ein Ansinnen vorliegenden Berichtes ist es daher, dem Konstruktionselement „Bandfeder“ und dessen interessanten Eigenschaften zu einem größeren Bekanntheitsgrad zu verhelfen. Sicherlich gibt es gerade im Automobil-Innenraum noch viele denkbare weitere Applikationen. Dem Ideenreichtum sind dabei keine Grenzen gesetzt, sei es in Bezug auf zusätzlichen Komfort, wie eine Vorrichtung, die beim Klingeln das Handy reicht oder eine Vorrichtung, um das Kabel zum Aufladen ordentlich zu verstauen. Andere Ideen beschäftigen sich damit, die Sicherheit, zum Beispiel durch ausrollbare Warndreiecke aus Reflexmaterial zu erhöhen. Der Bereich Multimedia, Internet und Navigation im Pkw und Nutzfahrzeug schafft Bedarf an Displays, die von „Geisterhand“ getrieben aus dem „Verborgenen“ auftauchen. Für den Federhersteller ist es eine verantwortliche Aufgabe, dem Konstrukteur als Beratungspartner bei der Auslegung der Federn zur Seite zu stehen und durch den Katalog möglicher Varianten zu führen.