VDI VDE 2255 Blatt 3-2016 Plastic and rubber springs - Energy storage components - Precision engineering components.pdf

1、VEREINDEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKKunststoff- und ElastomerfedernEnergiespeicherelementeFeinwerkelementeVDI/VDE 2255Blatt 3VDI/VDE-Handbuch Mikro- und FeinwerktechnikVDI-Handbuch KunststofftechnikVDI-Handbuch Produktentwicklung und KonstruktionPlastic and

2、 rubber springs Energy storagecomponents Precision engineering componentsICS 21.160 VDI/VDE-RICHTLINIENInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 22 Einteilung der Federarten .

3、 . . . . . . . . . . 23 Werkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.1 Eigenschaften der Kunststoffe . . . . . . . 33.2 Werkstoffauswahl . . . . . . . . . . . . . . 73.3 Schaubilder zeit- und temperaturabhngigerWerkstoffkennwerte. . . . . . . . . . . . . 114 Berechnungshinweise . . . . . . .

4、 . . . . . . 215 Kunststofffedern . . . . . . . . . . . . . . . . 225.1 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 225.2 Werkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.3 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . 225.4 Konstruktionshinweise . . . . . . . . . . . 265.5 Beispiele . . . . . . . . .

5、 . . . . . . . . 276 Biegebelastete Formteilelemente . . . . . . . 286.1 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 286.2 Werkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Seite6.3 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . 296.4 Konstruktionshinweise . . . . . . . . . . . 306.5 Beispiele . . . . . .

6、 . . . . . . . . . . . . 317 Filmgelenke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347.1 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . 347.2 Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 357.3 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . 357.4 Konstruktionshinweise . . . . . . . . . . . 367.5 Beispiele . . . . .

7、 . . . . . . . . . . . . . 378 Elastomerfedern . . . . . . . . . . . . . . . . 388.1 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . 388.2 Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 398.3 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . 398.4 Konstruktionshinweise . . . . . . . . . . . 418.5 Beispiele . . . .

8、 . . . . . . . . . . . . . 429 AnwendungsbeispielDimensionierung einer Kunststofffeder fr einen Pumpzerstuber . . . . . . . . . . . . . 45Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikrosystem- und Feinwerktechnik (GMM)Fachbereich Feinmechanik und M

9、echatronikFrhereAusgabe: 04.12EntwurfZubeziehen durchBeuth Verlag GmbH,10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattetFebruar 2016B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0

10、686BD19CFC1FA2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-02Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 2 VDI/VDE 2255 Blatt 3VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte

11、 insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung desUrheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedin-gungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI

12、Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserRichtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/2255.EinleitungIn technischen Anwendungen, speziell in feinwerk-techni

13、schen Gerten, finden Federn oder Federele-mente aus Kunststoff oder Elastomeren zunehmendVerwendung.Sie bieten gegenber Metallfedern, wie sie in derRichtlinie VDI/VDE 2255 Blatt 1 aufgefhrt sind,zahlreiche Vorteile, die sich durch Werkstoff-eigenschaften, mgliche Bauteilgestaltung undkunststoffspezi

14、fische Fertigungsverfahren ergeben.Aufgrund werkstoffspezifischer Eigenschaften, z.B.Kriechneigung, Abhngigkeit der Werkstoffkenn-werte von Temperatur, Belastungsdauer und -hhesowie geringe Erweichungstemperatur, ergeben sichbei Berechnung und Konstruktion von Kunststoff-federn wesentliche Unterschi

15、ede zu Metallfedern.Der Einsatz von Federelementen aus Kunststoff oderElastomeren ist in erster Linie auf deren wirtschaft-liche Verarbeitung durch kunststofftypische Ferti-gungsverfahren sowie die Wiederverwertbarkeit beisortenreiner Verarbeitung und Aufbereitung zurck-zufhren.Weitere gnstige Eigen

16、schaften sind geringes spezi-fisches Gewicht und Korrosionsbestndigkeit. Zu-dem sind Kunststoffe unmagnetisch und elektrischisolierend. Fr den Einsatz als Federwerkstoff spre-chen besonders hohe Elastizitt, gnstige Formbe-stndigkeit, ausreichende Festigkeit und das sehrgnstige Dmpfungsvermgen.1 Anwe

17、ndungsbereichDie Richtlinie ber Kunststoff- und Elastomerfedernlehnt sich an die Richtlinien VDI/VDE 2255 Blatt 1und VDI/VDE 2252 Blatt 9 an, die Metallfedernbzw. Federgelenke thematisieren.Zu Kunststofffedern bzw. zur Gruppe der biegebelas-teten Formteilelemente gehren auch die Schnapp-verbindungen

18、 Da dieser Themenbereich sehr um-fangreich ist, werden Schnappverbindungen in einergesonderten Richtlinie behandelt (VDI/VDE 2251Blatt 7).2 Einteilung der FederartenGrundstzlich sind alle geometrischen Formen me-tallischer Federn auch aus Kunststoff herstellbar. Diegngigen Federarten, z.B. zylindri

19、sche Schrauben-druck- und Tellerfedern aus Kunststoff, finden bisherin der Technik noch wenig Anwendung, da zum Aus-legen und Berechnen erforderliche Werkstoffdatenfehlen und kaum Erfahrungswerte vorliegen.Aus den werkstoffspezifischen Eigenschaften derKunststoffe und daraus folgenden speziellenVera

20、rbeitungsmglichkeiten wie Spritzgieen ergeben sich spezielle Anwendungsflle, die sichvon den Grundformen der Metallfedern, wie sie inVDI/VDE 2255 Blatt 1 aufgefhrt sind, ableitenlassen.Im Rahmen dieser Richtlinie ist folgende Klassifizie-rung vorgenommen: Kunststofffedern im klassischen Sinn, deren

21、For-men Metallfedern nach VDI/VDE 2255 Blatt 1entsprechen biegebelastete Formteilelemente Filmgelenke ElastomerfedernDie Einteilung erfolgt nach speziellen Anwendungs-gebieten sowie dem verarbeiteten Material.Unter dem Begriff Kunststofffedern werden die Fe-derarten behandelt, die in der Form den Me

22、tallfedernentsprechen. Da nicht alle Formen zu technisch sinn-vollen Lsungen fhren, reduziert sich die Auswahlauf zylindrische Schraubendruckfedern und Tellerfe-dern (Bild 1).a) b)Bild 1. Kunststofffederna) zylindrische Schraubendruckfeder b) TellerfederB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF

23、8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-02Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 VDI/VDE 2255 Blatt 3 3 Biegebelastete Formteilelemente und Filmgelenkeentsprechen den von den Metallfedern bekanntenBlattfedern; sie wer

24、den jedoch aufgrund ihrer spezi-ellen Anwendungen, Merkmale und Berechnung ge-sondert behandelt.Als biegebelastete Formteilelemente (Bild 2) wer-den im Rahmen dieser Richtlinie Bauteilelemente be-zeichnet, bei denen ein Element aus Kunststoffbiegebelastet wird und deren federnde Wirkung funk-tionsbe

25、stimmend ist. Sie entsprechen den ebenenFlachformfedern nach VDI/VDE 2255 Blatt 1, habenjedoch zum Teil einen nicht konstanten Querschnitts-verlauf ber die Federlnge.Bild 2. Kunststoffteil mit biegebelastetem Formteilelement Filmgelenke knnen als eine Form von Blattfedernbetrachtet werden, die als e

26、lastisches Bindegliedzwei zueinander bewegliche Kunststoffteile mitein-ander verbinden (Bild 3). Der Vorteil gegenber her-kmmlicher Bauteilgestaltung liegt in der Ein-Teil-Gestaltung. Anwendung finden Filmgelenke in derVerpackungsindustrie und als Montageerleichterungbei Bauteilmontage.Bild 3. Filmg

27、elenk als FlaschenverschlussElastomerfedern kommen hauptschlich wegen ihrerguten Dmpfungseigenschaften zum Einsatz, z.B. alsGummifederelement (Bild 4), 12.Bild 4. ElastomerfederelementHufig werden Elastomerteile auch zum Abdichtenoder Isolieren sowie zum Schutz vor Verschmutzungoder als Berhrungssch

28、utz verwendet, wobei die fe-dernden Eigenschaften der Elastomere ausgenutztwerden, z.B. als O-Ringe, Dichtungen oder Falten-blge.3 WerkstoffeNachfolgend werden die fr das Auslegen von Kunst-stofffedern wichtigen Eigenschaften der Kunststoffe,die Werkstoffkennwerte und die Bestndigkeit gegenMedien in

29、 Tabellen bzw. Diagrammen aufgefhrt.3.1 Eigenschaften der Kunststoffe13; 14; 18; 19; 22; 29Die technische Verwendung von Kunststoffen undElastomeren ist begrndet durch zahlreiche Eigen-schaften, die unter bestimmten Einsatzbedingungenwesentliche Vorteile gegenber Metallen aufweisen(Bild 5).Bild 5. V

30、ergleich wichtiger Eigenschaften von Kunststoffen undMetallenTemperaturabhngigkeitBeim Berechnen und Auslegen von Kunststoffbautei-len ist zu beachten, dass Elastizitts-, Schub- undKriechmodul sowie Festigkeit bei Temperaturerh-hung abnehmen, whrend Bruchdehnung und Volu-men zunehmen; zudem laufen z

31、eitabhngige Erschei-nungen bei erhhter Temperatur beschleunigt ab. Wiefederndes ElementVorteile von Kunststoffen und Elastomeren gegenber MetallenNachteile von Kunststoffen und Elastomeren gegenber Metallen geringe Dichte hohe Elastizitt elektrisch isolierend korrosionsbestndig wrmeisolierend zum Te

32、il gute l- und Chemikalienbestndigkeit hohe innere Reibung, dadurch schall- und schwingungsdmpfend in der Masse einfrbbar, bedruckbar und zum Teil metallisierbar zum Teil transparent leicht verarbeitbar einfache und gnstige Formgebung durch kunst-stoffspezifische Fertigungsverfahren wirtschaftliche

33、Herstel- lung groer Stckzahlen Temperaturabhngigkeit der mechanischen Eigen-schaften geringere Festigkeit geringere Hrte Eigenspannungen, bedingt durch den Herstellungs-prozess Kriechen unter Druck Abnahme der Elastizitt durch Alterung groer Temperaturausdeh-nungskoeffizient Quellen durch Wasserauf-

34、nahme brennbarDiese Eigenschaften sind zum Teil wiederum abhngig von: Temperatur Alterung Art der Belastung Umgebungsmedien VerarbeitungsbedingungenB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-02Alle Rechte vor

35、behalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 4 VDI/VDE 2255 Blatt 3sich die Eigenschaften eines Kunststoffs bei Wrmeverndern, hngt jedoch von seiner Struktur ab. Ver-deutlicht wird dies in Bild 6 anhand des Schub-moduls unterschiedlich stark vernetzter Kunststoffe.Bild 6. Schubmodul G i

36、n Abhngigkeit von der Temperatur beiunterschiedlich vernetzten KunststoffenTG GlastemperaturTF FlietemperaturAlterungKunststoffe und Elastomere unterliegen der Alterungwie andere Werkstoffe auch. Mit Alterung wird dieGesamtheit aller in einem Material irreversibel ablau-fenden physikalischen und che

37、mischen Vorgngewhrend eines bestimmten Zeitraums bezeichnet. AlsFolge der Alterungserscheinungen tritt ein Ver-schlechtern der Gebrauchseigenschaften der Kunst-stoffe und Elastomere ein. Trotz Manahmen zumVerzgern der Alterung, z.B. durch Zufgen von Zu-stzen, ist der Prozess nicht zu verhindern und

38、mussdemzufolge beim Auslegen von Kunststoffbauteilenbercksichtigt werden.Alterung kann durch innere und uere Faktoren her-vorgerufen werden. Innere Faktoren sind thermo-dynamisch instabile Zustnde. uere Faktoren kn-nen Licht (UV), Wrme und Feuchtigkeit sowie Ero-sion durch Schnee, Regen, Hagel, Sand

39、 und Staub so-wie Chemikalieneinwirkung sein. Temperaturerh-hung beschleunigt die Alterung, indem Reaktionszei-ten verkrzt werden.Die chemischen und physikalischen Alterungsvor-gnge und die Alterungserscheinungen, an denendiese Vorgnge erkannt werden knnen, sind inBild 7 aufgefhrt.Verhalten beim Ein

40、wirken von aggressiven MedienIm Vergleich zu Metallen spielt beim Einwirken vonChemikalien auf Kunststoffe das Eindiffundieren desMediums in den Werkstoff eine grere Rolle als beider Korrosion von Metallen. Auch ohne chemischeReaktion kann daher ein einwirkendes Medium einVerndern von Eigenschaften

41、des Kunststoffs bzw.Elastomers bewirken: Masse: durch Aufquellen und Feuchtigkeitsauf-nahme Mae: durch Aufquellen Aussehen physikalische EigenschaftenDie ausgelsten Reaktionen sind nicht gleicher-maen auf alle Anwendungsflle bertragbar, da dieBestndigkeit von Kunststoffen gegen einwirkendeMedien von

42、 mehreren Faktoren abhngt (Bild 8):Bild 8. Faktoren, die die Bestndigkeit von Kunststoffen gegenMedien beeinflussenNicht nur das Einwirken eines Mediums auf denKunststoff kann Vernderungen hervorrufen; beigleichzeitiger mechanischer Belastung des Bauteilsund Einwirkung aggressiver Medien knnen sicha

43、uch Spannungsrisse bilden.Genauere Angaben ber die chemische Bestndigkeiteinzelner Kunststoffe und Elastomere sind in Ab-schnitt 3.2.2 aufgefhrt.Faktoren, die die Bestndigkeit von Kunststoffen gegen Medien beeinflussen chemische Zusammensetzung der Polymere Struktur der Polymere Art und Anteil der Z

44、usatzstoffe Temperatur der Umgebung Art des einwirkenden Mediums Einwirkungsart des Mediums Spannungszustand des Kunststoffkrpers Formgebung des Kunststoffkrpers Orientierung der Molekle mechanische BelastungBild 7. Alterungsvorgnge und Alterungserscheinungen beiKunststoffenChemische Alterungsvorgng

45、ePhysikalischeAlterungsvorgnge Korrosion Nachpolykondensation Nachpolymerisation Abbau, das heit Spal-tung der Molekle Spannungsabbau, Relaxation Nachkristallisation Entmischung Weichmacherverlust WeichmacherwanderungAlterungserscheinungen Risse Quellung Nachschwindung Abscheidung bzw. Ausscheidung

46、Brche Verfrbung Vernderung des Oberflchenglanzes messbare Vernderungen der mechanischen, rheologischen, elektrischen oder optischen Eigenschaften Vernderung des chemischen Verhaltens und/oder des LslichkeitsverhaltensB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1F

47、A2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-02Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 VDI/VDE 2255 Blatt 3 5 Verhalten unter Belastung (Tabelle 1)Beim Auslegen von Kunststoff- und Elastomerbau-teilen ist der strukturbedingte Einfluss von Tempera-tur und Zeit,

48、 Belastungsart, Belastungszeit und -ge-schwindigkeit zu beachten. Insbesondere ist dabeider zeitliche Verlauf der Beanspruchung auf das elas-tische Verhalten von Kunststoffteilen zu bercksich-tigen.Tabelle 1. bersicht der aufgefhrten DiagrammeT Temperatur N Lastspielet Zeit Dehnunga Spannungsamplitu

49、de/SpannungsausschlagViskoelastizitt der KunststoffeDas Werkstoffverhalten bei uerer Beanspruchungist eine Funktion der Zeit. Bei konstanter Last nimmtdie Deformation mit der Zeit zu (Kriechen, Retardie-ren), (Bild 9a). Bei konstanter Verformung nimmtdie Spannung mit der Zeit ab (Erholung, Relaxa-tion), (Bild 9b).Bild 9. Spannungs- und Dehnungs-