VDI VDE 2252 Blatt 9-1990 Precision engineering components guides spring joints.pdf

1、DK 681 : 621 .828.2 : 621 .836 : 62-27262.002.2 (083.132) VDI/VDE-RICHTLINIEN Juni 1990VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DEUTSCHERELEKTROTECHNIKERFeinwerkelementeFhrungenFedergelenkeVDI/VDE 2252Blatt 9Precision engineering componentsGuidesSpring joints VDIinhaltlich berprftund unverndertweiterhin gl

2、tigInhalt SeiteVorbemerkung 21 Allgemeines 21 . 1 Begriffsbestimmungen 21.2 Funktionsprinzipe . 31.3 Allgemeine Eigenschaften 32 Einteilig gestaltete Federgelenke 42.1 Vorbemerkung 42.2 Physikalische Eigenschaften der thermoplastischen Kunststoffe 42.3 Konstruktionshinweise 62.4 Konstruktionsbeispie

3、le 63 Mehrteilig gestaltete Federgelenke 83.1 Vorbemerkung 83.2 Gelenkfederformen 83.3 Werkstoffe 83.4 Statisches und dynamisches Verhalten 103.5 Grundlagen zur Berechnung der Federgelenke 123.6 Konstruktionshinweise 143.7 Konstruktionsbeispiele 15Schrifttum 20VDI/VDE-Gesellschaft FeinwerktechnikAus

4、schu FeinwerkelennenteJanuar2001VDI/VDE-Handbuch Feinwerktechnik Register-Nr. 2Preisgr. 11B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 2 VDI/VDE2252 Blatt 9 Alle Rechte vorbehalten (c) Verein Deutscher Ingen

5、ieure, Dsseldorf 1990VorbemerkungDiese Richtlinie VDI/VDE 2252 Bl. 9 Fhrungen/Federgelenke ist das Ergebnis der Gemeinschaftsarbeit des Ausschusses Feinwerkelemente“. Sie istdas letzte Blatt in der Richtlinienreihe Fhrungen, diedie Gleit- und Wlzfhrungen sowie die Federgelenkebehandelt.Ein Kritikera

6、usschu hat durch Anregungen dieseArbeit besonders gefrdert. Ein Redaktionsausschu,bearbeitete die Richtlinienvorentwrfe bis zur Druckreife.rBild 2. Einteilig gestaltetes FedergelenkBild 3. Mehrteilig gestaltetes Federgelenk1 Allgemeines1.1 BegriffsbestimmungenFedergelenke sind Bauelemente, die zuein

7、ander relativ bewegliche Teile verbinden. Dabei bernehmenelastische Teile (Federn) die Aufgabe des Bindegliedes, Bild 1.- 2VBild 1. Grundform eines FedergelenkesDas Bauteil 1 bildet hier die Basis des Federgelenkes,die Gelenkfeder 2 verbindet die Gelenkbasis mit demBewegungsteil 3 und gestattet ihm

8、Bewegungen imRahmen der Federeigenschaften und der u. U. zustzlich angeordneten Bewegungsbegrenzungen (Anschlge) 4.In Abwandlung der Grundform ist es auch mglich,da die verbundenen Bauteile wechselseitig dieAufgabe der Gelenkbasis und des Bewegungsteilesbernehmen.Man unterscheidet einteilig und mehr

9、teiligFedergelenke: Einteilig gestaltete Federgelenke sindin einem Stck aus gleichem Werkstoff ohne zustzliche Verbindungsstellen gefertigt, Bild 2.Mehrteilig gestaltete Federgelenke haben eingesetzteGelenkfedern aus angepatem Federwerkstoff mitzustzlichen Verbindungsstellen, Bild 3.Mehrfach-Federge

10、lenke ergeben sich aus der Zusammenfassung mehrerer einzelner Federgelenke. Mitihnen knnen u. U. der Bewegungsbereich oder derFreiheitsgrad entweder erweitert, Bild 4, oderbeschrnkt werden Bild 5 .Bild 4. Zwei Torsionsfedergelenke in einer winkelbeweglichenKupplungBild 5. Zwei Federgelenke (Plattenf

11、edern bzw. Membranen) ineinem Schub-FedergelenkMehrfach-Federgelenke knnen u. U. aber auchFunktionen bernehmen, wie sie bei herkmmlichenHebelmechanismen bzw. Gelenkgetrieben anzutreffen sind, Bild 6.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST Beut

12、hStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten (c) Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1990 VDI/VDE2252 Blatt 9 3 /Bild 6. Federverspanntes Gelenkviereck1.2 FunktionsprinzipeDie folgenden Darstellungen zeigen die wichtigstenFunktionsprinzipe von Federgelenken und ihreBeweglichkeit, d

13、ie durch Pfeile gekennzeichnet ist.Die Richtung der Beweglichkeit ist von der Art, Formund Anzahl der Gelenkfedern abhngig. Kombinationen dieser Grundformen zur Erweiterung des Freiheitsgrades sind u. U. mglich.winke! (angular)-beweglichin einer EbeneTLin zwei EbeneniGelenl1650 210 -28 13,8 5,0 ferr

14、omagnetischNivarox(Haas)30 . . . 40% Ni,Rest FeZusatz; Cr, W, Mo,Be, Ti, C1600 bis 2200 190 0 antimagnetischThermelast5405, ausgehrtet (VAC)Ni-Fe-Basis,zulegiert Cr, Mo,Be1400 190 8,0 1,0 Variationsbreite desE-Moduls(-40 bis 80 C)2000 220 -28 13,5 0,95 fr hohe Dauertemperaturender Feinwerktechnik of

15、t verwendeten metallischenWerkstoffe fr Federgelenke zusammengestellt. Dieangegebenen Wferte sind Richtwerte und hngen vonder Vorbehandlung des Werkstoffes ab. AusfhrlicheAngaben, auch ber den zulssigen Temperaturbereich, die Widerstandsfhigkeit gegen chemischeEinwirkungen und Strahlungsempfindlichk

16、eit, sindden DIN-Normblttern zu entnehmen. Bei Spezialwerkstoffen sind die Angaben von den Herstellerfirmen der Federwerkstoffe/Halbzeuge zu beziehen.3.4 Statisches und dynamisches VerhaltenWerkstoffeinflsseIm Gegensatz zu Gelenken mit Festkrperreibunglassen sich bei Federgelenken die Widerstandskrf

17、te(-momente) aus der Formgebung, den Abmessungenund den Elastizittskennzahlen der Gelenk-Werkstoffe berechnen. Fr allgemeine Anforderungenknnen diese Kennzahlen als konstant angesehenwerden.Bei Federgelenken fr Megerte ist das nicht zulssig, denn hier mu die Abhngigkeit der elastischenEigenschaften

18、der Federwerkstoffe von Zeit, Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit und Gre der Belastung mit bercksichtigt werden.Hysterese und elastische NachwirkungWirkt auf eine Feder das Moment M, so wird sie sichaus der Ruhelage O um den Winkel a verdrehen.Kann sich die Feder entspannen, indem das einwirkende

19、 Moment langsam auf Null verringert wird, dannerreicht die neue Ruhelage nicht mehr genau ihrenAusgangswert, sondern ist um den Winkel -h Aaverschoben, Bild 24.Es mu das Moment AM wirksam werden, um dieFeder in die frhere Ruhelage zu bringen. Bei weitererVergrerung des Momentes in der entgegengesetz

20、tenRichtung bis M und anschlieender Entspannungauf das Moment Null wird sich nach einiger Zeit(Nachwirkzeit) die neue Ruhelage bei Aa einstellen. Es mu hier das Moment + AM wirksam werden,wenn die Feder die ursprngliche Ausgangslageeinnehmen soll. Die Abweichung von der Ausgangslage wird als Hystere

21、se der Feder, oder wenn dieseB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten (c) Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1990 VDI/VDE 2252 Blatt 9 11 in ein Megert eingebaut ist, als Hyste

22、rese desMegertes bezeichnet. Sie wird als Verhltniszahlzur Auslenkung bzw. zum Moment angegeben:A(x AMRelative Hysterese H = =. a MDie Ursache fr diese Erscheinung ist in der Reibunginnerhalb des Kristallgefges zu suchen. DieVorgnge hneln den Hystereseeffekten in Ferromag-netika.Bei genauerer Unters

23、uchung stellt man fest, da dieHysterese und die Nachwirkung nicht allein von derGre, sondern auch noch von der Dauer der Auslenkung und der Vorgeschichte der Feder abhngen.Bild 25 zeigt z. B. die Hysterese und Nachwirkungeines Kreuzfedergelenkes aus dem Werkstoff X40Cr 13 (Bild 40), das in der Reihe

24、nfolge 1 bis 4 in unterschiedlicher Zeitdauer einer Biegespannung vona = 160 N/mm ausgesetzt wurde. Die Nachwirkungist nach 1 min nur noch unwesentlich wirksam.Nach bisherigen Beobachtungen ist die relative Hysterese H im elastischen Bereich der Feder nur geringBild 25. Hysterese und Nachwirkung ein

25、es Gelenkes1 Belastung 60 s2 Belastung 15 s3 Belastung 60 s4 Belastung 10 sBild 26. Hysteresewerte in Abhngigkeit von der Beanspruchungabhngig von der Beanspruchung des Werkstoffes,Bild 2 6. Messungen wurden bei Biege- undTorsionsfedern im Bereich von 0,6 bis 250 N/mmdurchgefhrt. Danach lassen sich

26、bei den WerkstoffenCuBe2 und X 40 Cr 13 Hysteresewerte von 0,3ohne Schwierigkeiten erreichen.Um gnstige Werte zu erzielen, ist es wichtig, da dievorgeschriebene Wrmebehandlung eingehalten wird.Vorsicht gilt bei galvanisch behandelten Federnwegen der Wasserstoffversprdung. Sie wird auchdurch Erhitzun

27、g der Teile auf 200 C nicht mehr vollstndig rckgngig gemacht.Gnstig auf die Hysterese wirken sich glatte Oberflchen aus. Eine Rauhigkeit von R = /xm, wie siebeim Schleifen von Torsinsfedern aus CuBe2 auftritt,brachte bei einem Torsionsdurchmesser von 0,35 mmdeutlich schlechtere Hysteresewerte als be

28、i einer nachtrglich polierten Feder.Die Ursache fr diesen Effekt ist in den schroffenbergngen der Feinstruktur der Oberflche zusuchen, die wie mikroskopische Kerbstellen wirken.Die dabei auftretenden rtlichen Spannungsspitzenhaben eine Erhhung der Hysterese zur Folge.Durch die Walzriefen in Federbnd

29、ern treten ebenfallsrtliche Spannungsspitzen auf, wenn sie quer zurWalzrichtung gebogen wurden. Das ist mit ein Grunddafr, weshalb bei Blattfedern die Beanspruchung inWalzrichtung liegen soll.Man kann ganz allgemein bei der Betrachtung derHysterese davon ausgehen, da die gleichen Manahmen, die zur E

30、rhhung der Dauerfestigkeit fhren,auch eine Verbesserung der Hysterese bringen, dabeide - Dauerfestigkeit und Hysterese - von rtlichenSpannungsspitzen, von der Gre der Beanspruchungund anderen Einflssen wie z. B. Wasserstoffversprdung, Wrmebehandlung usw. abhngen.NullpunktBei Federgelenken, die im Me

31、gertebau verwendetwerden, kann gelegentlich ein Auswandern des Nullpunktes beobachtet werden. Dieser Effekt ist aufmechanische Spannungen im Federwerkstoff zurckzufhren, die sich bei Temperatur Schwankungenndern. Die inneren Spannungen knnen durchB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C46

32、1B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 12 VDI/VDE 2252 Blatt 9 Alle Rechte vorbehalten (c) Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1990unsachgeme Behandlung bei der Herstellung oderMontage entstehen.Durch knstliche Alterung, d.h. durch eine geeigneteWrme-

33、 oder Ultraschallbehandlung, lassen sich dieinneren Spannungen reduzieren, aber nicht vollstndig beheben. Es ist daher wichtig, dafr zu sorgen,da die Gelenke nicht vor oder whrend der Montageberlastet werden.Temperaturabhngigkeit des E-ModulsDie nderung der elastischen Eigenschaften vonFedergelenken

34、 bei Temperaturnderungen ist nur zueinem geringen Teil durch nderungen der Abmessungen und damit ber den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erklren. Den Hauptanteil liefert dietemperaturabhngige nderung des Elastizitts- bzw.Schubmoduls. Im allgemeinen sinken sie mit steigender Temperatur.Es wur

35、den jedoch Legierungen entwickelt, die einentemperaturunabhngigen Elastizittsmodul haben ,z. B. NIVAROX und THERMELAST. Es handeltsich bei ihnen um ferromagnetische Nickellegierungen. Die mit steigender Temperatur abnehmendeMagnetisierung und damit abnehmende Magnetostriktion kompensiert bei diesen

36、Legierungen die Abnahmedes Elastizittsmoduls. Die gewnschten Eigenschaften sind aber nur bei genauem Einhalten der vorgeschriebenen Wrmebehandlung zu erreichen.Bei ferromagnetischen Werkstoffen knnen auchMagnetfelder den Elastizittsmodul beeinflussen.3.5 Grundlagen zur Berechnung der FedergelenkeBei

37、 der Auslegung von Federgelenken interessieren inerster Linie der zulssige Auslenkungswinkel und dieRckstellkraft bzw. das Richtmoment sowie dieBelastbarkeit. Bei gegebenem Richtmoment bedingtdie Forderung nach groer Belastbarkeit immer einekleine Auslenkung. Bei geforderter groer Auslenkung ist die

38、 Belastbarkeit entsprechend relativ klein.Spanndrhte und Spannbnder knnen z.B. Auslenkungswinkel bis 500 haben. Sie sind dann aber nurgering belastbar.Tabelle 2. Berechnungsgrundlagen fr BiegefedernGelenkfederformen Zul. Biegemoment Biegesteifigkeit Zulssige Querkraft QuersteifigkeitGerade Biegefede

39、rMz = OzulMy (Tulhbb-hin z-Achse _ M, _ Eh-bo,- 12 /in Y-AchseM, E-bhc,=12-/y zulz- zulhb3-1b-h3-1PBiegefeder mit HohlkehleErsatzlnge:lcz = h-icz () -Ersatzlnge:Mz = ffzul= 3 ist Fyum 78% grer alsbei gerader Federgleicher Dickeund Biegesteifigkeit C,loy Oy 1,18R065./70,35damit wirdE . . bO,12- VR1,1

40、8.R065 16,5.f?08R/h0,250,51,03,05,01020W 0,3880,6521,0341,962,563,685,18Cy0,4550,8471,5153,464,937,7211,78R/h “t.0,25 0,4210,5 0,7391,0 1,2483,0 2,5445,0 3,5610 5,0720 7,26B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stan

41、d 2016-11Alle Rechte vorbehalten (c) Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1990 VDI/VDE2252 Blatt 9 13Tabelle 3. Berechnungsgrundlagen fr Drehstabfedern und SpannbnderGelenkfederformen ZulssigesTorsionsmomentTorsionssteifigkeit ZulssigeQuerkraftQuersteifigkeit16 C.=M, = G- TT 32 / = zul “ 16-/_F 37

42、r-Gf416Drehstabfeder mitHohlkehleErsatzlnge:Icy = fc ( ) - 0.815 RO6 W3 6damit wird C. 0,12 G16 R/h0,25 0,3610,5 0,5901,0 0,8942,5 1,4955,0 2,1510 3,0420 4,67Spannband M = r,rhb C = G+ E-bh f _ F(b-h)I h/ 12./-h ob/h360 /3b1 0,14012 0,22874 0,28086 0,29858 0,307210 0,312415 0,3194c 0,3333In Tabelle

43、2 und 3 sind die Berechnungsgrundlagen fr die gebruchlichsten Federgelenke zusammengestellt. Standardfedern, die auch als Gelenkfederverwendet werden, sind darin nicht enthalten. Fr ihreBerechnung wird auf die Richtlinie VDI/VDE 2255Bl. 1 ,Metallfedern“ hingewiesen. Bei handelsblichen Spezial-Federg

44、elenken sind die Berechnungsgrundlagen bzw. Daten in den Unterlagen der Herstellerfirmen magebend.Bei Spannbandlagerungen ist noch zu beachten, dasie groe Strmomente aufweisen knnen, wenn sieVibrationen ausgesetzt sind. Hervorgerufen wirddieser Effekt durch die unterschiedliche Steifigkeit desBndche

45、ns in der Ebene senkrecht zur Lngsachse.Wirkt z.B. eine Schwingung unter 45 zur Bndchenquerachse, so kann das Bndchen in der j-Richtungnachgeben, in der x-Richtung aber nur sehr wenig. Esist daher bestrebt, seine j-Richtung in Schwingungsrichtung zu drehen und bt somit ein Moment aus, dasunabhngig v

46、on der Richtung der Schwingung immerden gleichen Drehsinn hat. Man bezeichnet diesenEffekt auch als Anisoelastizitt, Bild 27.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 14 VDI/VDE 2252 Blatt 9 Alle Rechte v

47、orbehalten (c) Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1990Die Gre des Strmomentes lt sich mit folgenderGleichung berechnen:Klemmbackenneutrale FaserM 1,9/1 1 = m a I ) sin 2 a2 o, dJMmStrmomentMasse des gelagerten Systemsa Beschleunigung der SchwingungDy Steifigkeit der Lagerung in y-RichtungSteifig

48、keit der Lagerung in x-RichtungBei der Verwendung von Torsionsdrhten tretensolche Fehler nicht auf, da die Steifigkeit der Spann drhte richtungsunabhngig ist (Dy = der Klammerausdruck der Gleichung wird null). Auch durchverdrillte Spannbnder wird der Einflu der Anisoela-stizitt weitgehend ausgeschaltet.3.6 KonstruktionshinweiseBefestigung der FederendenDie Einspannstelle hat die Aufgabe, in der Federwirkende Krfte und Momente aufzunehmen, ohneda dabei hohe Kerbspannungen oder hystereseartigeReibungseffekte entstehen.Im folgenden werden