Wie sich die Einfederung auf die Leistungsfähigkeit von Tellerfedern auswirkt

Die statische Belastung ist definiert als das Aufbringen einer konstanten Last oder einer Last, die sich in relativ langen Zeitabständen ändert, nicht mehr als 10.000 Zyklen während der Lebensdauer der Konstruktion. Bei statischen Anwendungen ist die maximale errechnete Belastung in der Mitte der oberen Fläche der Tellerfeder kritisch. (In Abbildung 2 als Punkt 0 dargestellt.) An diesem Punkt sollte die höchste berechnete Belastung die ungefähre Zugfestigkeit des Materials (1400-1600 N/ mm²) nicht überschreiten, wenn die Tellerfeder sich in der f lachen Position befindet. Standard-Tellerfedern können bei statischer Belastung ohne theoretische Berechnung eingesetzt werden, sofern die Einfederung weniger als 75% beträgt.

Abbildung 2

Dynamisch belastete Tellerfedern lassen sich in zwei verschiedene Kategorien einteilen:

1. Begrenzte Lebensdauer, bei der Tellerfedern 10.000 bis 2.000.000 Lastwechsel ohne Ermüdungsbruch erreichen sollten.
2. Unbegrenzte Lebensdauer, bei der Tellerfedern mehr als 2.000.000 Lastwechsel ohne Ermüdungsbruch übersteigen sollten.

Durch Kugelstrahlen wird eine günstigere Druckspannung auf der Oberfläche der Tellerfeder erzeugt, wodurch sich die Rissbildung reduziert und die Ermüdungsbeständigkeit erhöht.

Fertigungsbedingte Restzugspannungen der Tellerfeder treten am oberen Rand des Innendurchmessers auf, siehe Punkt I in Abbildung 2.

Im laufenden Betrieb ändert sich die Zugspannung in eine Druckspannung. Die Ermüdungsbeständigkeit wird durch diese Spannungsumkehr drastisch reduziert. Das Aufrechterhalten einer konstanten Vorspannung von mindestens 15% Einfederung verhindert diese Spannungsumkehr und erhöht die Lebensdauer der Tellerfeder.

Mit der Erstbelastung der Tellerfeder werden zwei Ziele erreicht:

1. Bei unbelasteten Tellerfedern tritt die Restzugspannung aus der Fertigung an dem in der Abbildung 2 gezeigten Punkt I auf. Die Vorspannung der Tellerfeder ändert die Zugspannung an Punkt I in eine Druckspannung. Das Aufrechterhalten der Druckspannung an der Oberseite der Tellerfeder verringert die Gefahr der Rissausbreitung. Schwankungen von Zug- zu Druckspannung schränken die Ermüdungsfestigkeit der Tellerfeder stark ein. Die Tellerfeder muss auf mindestens 15% der gesamten Einfederung vorgespannt sein, um Zugspannungen zu vermeiden.
2. Der Federteller sitzt durch die gleichmäßige Verteilung der Anfangskraft gleichmäßig auf dem gesamten Umfang der Tellerfeder. Tellerfedern sind nicht 100% symmetrisch, so dass es zu einem leichten Kraftanstieg kommt, da sie sich bei der Vorspannung setzen.  Dieser Kraftzuwachs ist zwar absehbar, wird aber bei der Berechnung der Kraft/Einfederung nicht berücksichtigt.

Zunehmende Endbelastung erhöht die Spannung in der Tellerfeder und führt zu einem geringeren Ermüdungswiderstand. Wie bei jedem Bauteil führt eine geringere Durchbiegung zu einer geringeren Belastung und einer längeren Lebensdauer. Wenn die Tellerfeder über 75% der Einfederung hinaus belastet wird, passiert die Tellerfeder den linearen Abschnitt der Kennlinie (Abbildung 1), und die Spannung kann auf nichtlineare Weise zunehmen, was zu einem schnellen Verlust der Ermüdungsfestigkeit führt. Je geringer die zulässige Endbelastung, desto höher ist die Lebensdauer. 

Die Lebensdauer kann durch Verringerung der Einfederung der Tellerfeder erhöht werden. Wenn zusätzliche Verfahrwege erforderlich sind, können Tellerfedern geschichtet werden, um eine größere Einfederung zu erreichen, ohne die Belastung der einzelnen Tellerfedern zu erhöhen, was zu einer längeren Lebensdauer führt.

Der Einfederungsbereich der Tellerfeder bestimmt deren Berechenbarkeit und Lebensdauer.

Bei statischer Belastung sind theoretische Spannungsberechnungen nicht erforderlich, sofern die Einfederung 75% der gesamten Einfederung nicht überschreitet. Höhere Einfederungen führen zu hohen Spannungen, die zu einem Verlust der Federkraft führen. Das Verständnis, wie sich der Bereich der Einfederung auf die Lebensdauer der Tellerfeder auswirkt, ist der Schlüssel zur Bestimmung der Lebensdauer gegen Ermüdung.

Die in diesem Dokument enthaltenen Richtlinien sind allgemeiner Natur; daher wird empfohlen, dass Anwendungstechniker, die sich auf die Konstruktion und Spezifikation von Tellerfedern spezialisiert haben, konsultiert werden, um sicherzustellen, dass die Leistungsfähigkeit für jede einzelne Baugruppe erfüllt werden.