Reibungsmanagement in gleichsinnig geschichteten Tellerfederpakete: Die Bedeutung der Schmierung

Tellerfedern sind ideale Funktionselemente, um gleichbleibende und vorhersehbare Federkräfte innerhalb festgelegter Federwege zu erzielen. Im Verhältnis zu ihrer Größe bieten sie bei geringeren Federwegen größere Federkräfte als Schraubendruckfedern. Sie sind sowohl für statische als auch für dynamische (oszillierende) Belastung ausgelegt und können in verschiedenen Konfigurationen geschichtet werden, um Federkraft- und Federwegeigenschaften zu erzielen, die über das hinausgehen, was mit einzelnen Tellerfedern möglich wäre (Abbildung 1). Durch die Möglichkeit, Tellerfedern zu schichten, sind sie äußerst vielseitig für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen in der weltweiten Industrie einsetzbar.

Abbildung 1
Tellerfedern können in unterschiedlichen Schichtungsanordnungen kombiniert werden, um verschiedene Federkraft- und Federwegeigenschaften zu erzielen.

Als allgemeine Konstruktionsrichtlinie für Tellerfederschichtungen gilt, dass die zu erwartende (berechnete Nenn-) Federkraft einer einzelnen Tellerfeder mit der Anzahl der gleichsinnig geschichteten Tellerfedern multipliziert wird.

Dies stellt eine einfache Grundlage für die Auslegung von Tellerfederschichtungen dar. In der Praxis weicht die Federkraft-Federweg-Charakteristik jedoch mit zunehmender Anzahl gleichsinnig geschichteter Tellerfedern aufgrund von Reibung und geometrischen Toleranzen zwischen den Tellerfedern zunehmend von der theoretisch berechneten Kennlinie ab.

Wird die Reibung zwischen gleichsinnig geschichteten Tellerfedern bei der Auslegung nicht ausreichend berücksichtigt, kann dies im Praxiseinsatz zu Abweichungen vom erwarteten Federungsverhalten führen und unter Umständen sogar einen vorzeitigen Ausfall von Komponenten nach sich ziehen. Dieses Technische Papier schafft Klarheit bezüglich dieses häufig missverstandenen Aspekts der Tellerfederschichtung und hilft Anwendern, die Leistungsfähigkeit ihrer Baugruppen zu optimieren.

Bei einzeln eingesetzten oder wechselsinnig geschichteten Tellerfedern tritt Reibung zwischen den Kantenradien der Tellerfedern und den jeweiligen Auflageflächen auf (Punkte I und III in Abbildung 2). Bei gleichsinnig geschichteten Tellerfedern wirken zusätzlich Reibungskräfte zwischen den konischen Kontaktflächen der einzelnen Tellerfedern.

Werden gleichsinnig geschichtete Tellerfedern belastet, wirken auf die konischen Kontaktflächen jeder einzelnen Tellerfeder Reibungskräfte in entgegengesetzter Richtung (Abbildung 3). Diese Reibungskräfte wirken der aufgebrachten Belastung entgegen und erhöhen die zum Zusammendrücken der Tellerfedersäule erforderliche Kraft. Umgekehrt wirken dieselben Reibungskräfte beim Entlasten der Säule in die entgegengesetzte Richtung und verringern die Kraft, die erforderlich ist, um die Säule bei einem bestimmten Federweg zu halten. Bei dynamischer Belastung einer Tellerfedersäule und der Aufzeichnung der Federkraft-Federweg-Daten zeigt sich dieser Effekt in Form einer Hystereseschleife (Abbildung 4). Dabei liegt die tatsächlich von der Tellerfederanordnung erzeugte Federkraft während der Belastung über und während der Entlastung unter der theoretischen Kennlinie.

Die DIN EN 16983 klassifiziert Tellerfedern nach dem Verhältnis der freien Kegelhöhe zur Federdicke (h₀/t) in verschiedene Baureihen. Dieses Verhältnis bestimmt die Form ihrer theoretischen Federkraft-Federweg-Kennlinien. Zur Berücksichtigung dieser Unterschiede legt die DIN EN 16984 für jede Baureihe die nachstehenden Reibungskoeffizienten w_M und w_R fest, die bei der Berechnung von F_gesR anzusetzen sind.

Tabelle 1
Reibungskoeffizienten für die verschiedenen Abmessungsreihen von Tellerfedern nach DIN EN 16984

Die Berechnung von $\frac{n}{1\mp w_M\times (n-1)\mp w_R}$   für jede Baureihe gemäß DIN EN 16983 ergibt einen Korrekturfaktor, mit dem die Nennfederkraft (F) einer Tellerfeder multipliziert werden kann, um den möglichen Bereich der Federkräfte einer gleichsinnig geschichteten Tellerfederanordnung unter Berücksichtigung der Reibung abzuschätzen. Zur besseren Veranschaulichung wurden diese Korrekturfaktoren in Prozentwerte umgerechnet, bezogen auf die theoretische Federkraft der Tellerfederanordnung. Dabei steht „+“ für den Belastungsvorgang und „−“ für den Entlastungsvorgang.

Tabelle 2
Von SPIROL in Prozentwerte umgerechnete Reibungs-Korrekturfaktoren nach DIN EN 16984

Obwohl die DIN EN 16984 Berechnungsverfahren und Reibungskoeffizienten zur Abschätzung der Reibung zwischen Tellerfedern in gleichsinniger Schichtung bereitstellt (Abbildung 5), wird das tatsächliche Verhalten in der Praxis von zahlreichen Einflussgrößen bestimmt. Insbesondere die Oberflächenrauheit und die Schmierung beeinflussen den Reibungskoeffizienten zwischen den Federflächen und damit die resultierende Federkraft-Federweg-Charakteristik. Aus diesem Grund wurden auf Basis praktischer Versuche vereinfachte Reibungs-Korrekturfaktoren von ±2 bis 3 % pro gleichsinnig geschichteter Tellerfeder abgeleitet (Abbildung 6). Dabei wird der positive Korrekturfaktor für die Belastung und der negative Korrekturfaktor für die Entlastung angesetzt. Während die maximalen reibungskorrigierten Kennlinien beider Berechnungsmethoden annähernd übereinstimmen, zeigt die mithilfe der DIN-Werte ermittelte minimale reibungskorrigierte Kennlinie nur eine sehr geringe Abweichung von der theoretischen Standardkennlinie.

---  -  --- Berechnete Nennkurve     _______ Maximale reibungsmodifizierte Kurve     _______ Minimale reibungsmodifizierte Kurve

Da einzelne Tellerfedern eine größere oder kleinere Kennlinienamplitude aufweisen können als die gemäß DIN EN 16984 theoretisch berechnete Kennlinie, ist die Amplitude der Federkraft-Federweg-Kennlinie nicht zwangsläufig der wichtigste Vergleichsmaßstab bei der Bewertung geschmierter und ungeschmierter Tellerfederanordnungen. Eine einzelne Tellerfeder innerhalb einer bestimmten Anordnung kann eine geringfügig höhere Federkraft aufweisen, was den Versuchsingenieur fälschlicherweise zu der Annahme verleiten könnte, die beobachtete Leistungsabweichung sei auf den Schmierungszustand der Tellerfederanordnung zurückzuführen. Aussagekräftiger ist stattdessen die Verringerung der zwischen Belastungs- und Entlastungskurve eingeschlossenen Fläche (Fläche unter der Kennlinie (AUC)). Diese Fläche entspricht der Energie, die infolge der Reibungshysterese innerhalb der Baugruppe dissipiert wird. SPIROL führte Versuche mit Tellerfedern der Baureihen A, B und C nach DIN EN 16983 durch. Jede für die Versuche verwendete Tellerfeder wurde auf F = 2 × F_t vorgesetzt, wobei F_t der DIN-Nennkraft der Tellerfeder bei  l_t = l₀ − (0.75 × h₀) entspricht. Aus jeder Baureihe wurden zwei Anordnungen aus jeweils vier gleichsinnig geschichteten Tellerfedern aufgebaut: eine mit Schmierung und eine ohne Schmierung (Abbildung 7).

Jede Prüfung bestand aus zehn vollständigen Lastwechselzyklen. Dabei wurden die Tellerfederanordnungen jeweils bis zu einem Federweg von s = 0.75 × (L₀ − L_C) komprimiert und anschließend wieder auf einen Federweg von s = 0.0mm entlastet. Ziel war es, dem Schmierstoff ausreichend Zeit zur Verteilung zwischen den Tellerfedern zu geben und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Tellerfederanordnungen unter dynamischer Beanspruchung zu bewerten.

Die nach DIN-Baureihen analysierten Versuchsergebnisse liefern mehrere interessante Erkenntnisse. Die beobachteten Trends stimmen weitgehend mit den aus den F_gesR-Berechnungen nach DIN EN 16984 abgeleiteten Werten überein. Wie erwartet weisen Tellerfedern der Baureihe A die größte Reibungshysterese in gleichsinnig geschichteten Anordnungen auf, gefolgt von den Baureihen B und C. Das Diagramm der Baureihe A (Abbildung 8) zeigt außerdem, dass die geschmierte Tellerfederanordnung bei maximalem Federweg s_ges trotz ihrer höheren Kraftamplitude eine deutlich geringere Energiedissipation aufwies als die ungeschmierte Anordnung. Während die Reduzierung der AUC bei der geschmierten Anordnung 17,4 % betrug, lag sie bei der ungeschmierten Anordnung bei 28,0 %. Dies verdeutlicht den positiven Einfluss der Schmierung auf die Verringerung der Reibungshysterese.

---  -  --- Berechnete Nenn-Federkraft-Federweg-Kennlinie     _______ Ungeschmiert     _______ Geschmiert

Die Versuche mit der Tellerfederanordnung der Baureihe C (Abbildung 9) zeigten die geringste Reibungshysterese aller untersuchten DIN-Baureihen, und zwar sowohl im geschmierten als auch im ungeschmierten Zustand. Die Verringerung der zwischen Belastungs- und Entlastungskurve eingeschlossenen Fläche (AUC) betrug bei der geschmierten Anordnung 12,0 %, gegenüber 23,9 % bei der ungeschmierten Anordnung. Gleichzeitig zeigte die Baureihe C im Vergleich der geschmierten und ungeschmierten Ausführung den geringsten Leistungszuwachs durch die Verwendung von Schmierstoff. 

• Der größte unmittelbare Nutzen der Schmierung einer Tellerfederanordnung wurde bei Tellerfedern der Baureihe A festgestellt.
• Der geringste unmittelbare Nutzen durch den Einsatz von Schmierstoff wurde bei Tellerfedern der Baureihe C beobachtet, die zudem die geringste Energiedissipation bei zunehmender Anzahl gleichsinnig geschichteter Tellerfedern aufwiesen.
  • Auch wenn die geringe Energiedissipation zunächst als Vorteil erscheinen mag, ist dieser Effekt in der Praxis differenziert zu betrachten. Wenn eine Anwendung mehr als zwei gleichsinnig geschichtete Tellerfedern der Baureihe C erfordern würde, kann der Einsatz einer einzelnen Tellerfeder der Baureihe A oder B häufig die bessere Lösung sein. Aufgrund der fehlenden Kontaktflächen zwischen parallel geschichteten Tellerfedern wird dabei die reibungsbedingte Hysterese von Natur aus reduziert, sodass die Federkraft-Federweg-Kennlinie eine geringere Hystereseschleife aufweist.
• Letztlich sollte eine Tellerfederanordnung, sofern die natürliche Dämpfungswirkung einer gleichsinnigen Schichtung nicht ausdrücklich erwünscht ist, möglichst wenige Tellerfedern pro gleichsinnig geschichtetem Satz aufweisen, um die Energiedissipation zu minimieren.
• Wenn selbst die Tellerfeder mit der höchsten für die Konstruktion geeigneten Federkraft die erforderliche Last einer Anwendung nicht bereitstellen kann, sollte eine gleichsinnige Schichtung in Verbindung mit einem geeigneten Schmierstoff eingesetzt werden, um die Reibung zwischen den Kontaktflächen der Tellerfedern zu reduzieren.

Die Auswahl der geeigneten Tellerfeder, der optimalen Schichtungsanordnung und des passenden Schmierstoffs ist entscheidend, um die gewünschte Leistung und eine maximale Lebensdauer der Baugruppe sicherzustellen. Die Anwendungsingenieure von SPIROL unterstützen Sie gerne mit einer kostenlosen anwendungstechnischen Beratung, um die optimale Lösung für Ihre spezifischen Anforderungen zu entwickeln.