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Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Federn und Federelemente

FKM 1. Auflage 2020
40 Seiten

Der Berechnungsalgorithmus für Federn lehnt sich an den Berechnungsalgorithmus für nicht geschweißte Bauteile [FKM12] an und wurde im Rahmen des Forschungsprojekts IGF 18495 BG (2017) „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Federn und Federelemente“ erarbeitet.
Die FKM-Richtlinie für Federn und Federelemente
- ist im Maschinenbau und in verwandten Bereichen der Industrie anwendbar,
- beschreibt den statischen Festigkeitsnachweis, im Wesentlichen aber den Ermüdungsfestigkeitsnachweis als Dauer-, Zeit- oder Betriebsfestigkeitsnachweis,
- gilt vorrangig für Federn und Federelemente aus ölschlussvergüteten, patentiert gezogenen und korrosionsbeständigen Drähten mit Drahtdurchmessern von 1,0 bis 12,0 mm bzw. Federn und Federelemente aus vergütetem und korrosionsbeständigem Bandmaterial mit Bandstärken von 0,1 bis 2,0 mm,
- gilt für torsions- und biegebeanspruchte Federn und Federelemente, vorzugsweise für Schraubendruckfedern, Schenkelfedern und Spiralfedern (nicht für Tellerfedern) und
- gilt einheitlich für alle kaltgeformten Federn und Federelemente.
Für alle Anwendungsfälle gilt ein einheitlich strukturierter Berechnungsablauf, der an die Vorgehensweise in [FKM12] angelehnt ist. Der Berechnungsalgorithmus besteht aus Anweisungen, Formeln, Tabellen und Erläu-terungen. Der Inhalt mit seinen umfassenden Berechnungsmöglichkeiten entspricht dem neuesten Stand der Forschung. Die verwendeten Formelzeichen sind der neueren Entwicklung angepasst. Der Berechnungsablauf wird zur besseren Verständlichkeit durch Beispiele ergänzt.

Die Richtlinie wurde verfasst
im Auftrag des Forschungskuratoriums Maschinenbau e.V. (FKM)
im Fachkreis Bauteilfestigkeit
von
Prof. Dr.-Ing. Ulf Kletzin
Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Maschinenelemente
Dr.-Ing. René Reich
Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Maschinenelemente
Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner
Technische Universität Darmstadt, Institut für Werkstoffkunde
Dipl.-Ing. André Spies
Technische Universität Darmstadt, Institut für Werkstoffkunde
weitere
Prof. Dr.-Ing. Brita Pyttel
Dipl.-Phys. Georg Hannig
Prof. Dr.-Ing. Roland Rennert
Prof. Dr.-Ing. Eckehard Kullig

Inhalt
Vorwort
Literatur
Inhaltsverzeichnis 
0 Allgemeines
0.0 Anwendungsbereich 
0.1 Grundlagen 
0.2 Erforderliche Nachweise
0.3 Spannungen und Bauteilarten 
0.4 Berechnungsablauf 
1 Statischer Festigkeitsnachweis 
2 Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen
2.0 Allgemeines
2.1 Spannungskennwerte 
2.1.0 Allgemeines
2.1.1 Spannungskomponenten
2.1.2 Spannungskollektiv und Wöhlerlinie
2.1.2.1 Spannungskollektivkennwerte 
2.1.2.2 Wöhlerlinienkennwerte 
2.1.3 Anpassung des Spannungskollektivs an die Bauteil-Wöhlerlinie
2.1.4 Äquivalentspannungsamplitude 
2.2 Werkstoffkennwerte
2.2.0 Allgemeines
2.2.1 Bauteil-Normwerte
2.2.2 Zugdruckwechselfestigkeitsfaktor und Schubwechselfestigkeitsfaktor
2.2.3 Temperaturfaktor 
2.3 Konstruktionskennwerte
2.3.0 Allgemeines
2.3.1 Konstruktionsfaktoren 
2.3.2 Schätzwert der Kerbwirkungszahl 
2.3.3 Berechnung der Stützzahlen
2.3.4 Rauheitsfaktor
2.3.5 Randschichtfaktor
2.4 Bauteilfestigkeit
2.4.0 Allgemeines
2.4.1 Bauteil-Wechselfestigkeit
2.4.2 Bauteil-Dauerfestigkeit je nach Mittelspannung
2.4.2.0 Allgemeines
2.4.2.1 Amplitude der Bauteil-Dauerfestigkeit
2.4.2.2 Mittelspannungsempfindlichkeit 
2.4.2.3 Eigenspannungsfaktor 
2.4.2.4 Dauerfestigkeitsschaubild
2.4.2.5 Mittelspannungsfaktor 
2.4.3 Bauteil-Betriebsfestigkeit 
2.4.3.0 Allgemeines
2.4.3.1 Ertragbare Spannungskomponenten 
2.4.3.2 Bauteil-Wöhlerlinie
2.4.3.3 Betriebsfestigkeitsfaktor 
2.5 Sicherheitsfaktoren
2.5.0 Allgemeines
2.5.1 Vertrauensniveau der Datenbasis 
2.5.2 Ableitung von Spannungs-Quantilen mit höherer Zuverlässigkeit
2.5.3 Gesamtsicherheitsfaktor 
2.6 Nachweis 
2.6.0 Allgemeines
2.6.1 Einzelne Spannungsarten 
2.6.2 Zusammengesetzte Spannungsarten
3 Anhang
3.1 Bestimmung der hoch beanspruchten Bauteiloberfläche
3.1.1 Allgemeines
3.1.2 A 90 %-Verfahren 
3.1.2.1 Schraubendruckfeder (DF) 
3.1.2.2 Schenkelfeder (SF)
3.1.2.3 Spiralfeder (SPF)
3.1.3 Verwendung von Spannungsintegralen 
3.1.3.1 Schenkelfeder (SF)
3.1.3.2 Spiralfeder (SPF)
3.1.3.3 Schraubendruckfeder (DF) 
3.2 Mittelspannungsverschiebung 
3.2.1 Allgemein
3.2.2 Normalspannungen
3.2.3 Schubspannungen 
3.2.4 Typische Eigenspannungen 
3.3 Werkstofftabellen
3.4 Rechenbeispiele
3.4.1 Schraubendruckfedern
3.4.1.1 Allgemeines
3.4.1.2 Eingangsgrößen.
3.4.1.3 Werkstoffkennwerte 
3.4.1.4 Konstruktionskennwerte
3.4.1.5 Bauteilfestigkeit
3.4.2 Spiralfeder 
3.4.2.1 Allgemeines
3.4.2.2 Eingangsgrößen.
3.4.2.3 Statischer Festigkeitsnachweis 
3.4.2.4 Werkstoffkennwerte 
3.4.2.5 Konstruktionskennwerte
3.4.2.6 Bauteilfestigkeit
3.4.2.7 Sicherheitskonzept
3.4.3 Schenkelfeder
3.4.3.1 Allgemeines
3.4.3.2 Eingangsgrößen.
3.4.3.3 Statischer Festigkeitsnachweis 
3.4.3.4 Werkstoffkennwerte 
3.4.3.5 Konstruktionskennwerte
3.4.3.6 Bauteilfestigkeit
3.4.3.7 Sicherheitskonzept 
3.4.3.8 Nachweis
4 Formelzeichnen
4.1 Abkürzungen
4.2 Indizes
4.3 Kleinbuchstaben 
4.4 Großbuchstaben
4.5 Griechische Buchstaben