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Bau & Handwerk

Druckfeder berechnen

Geben Sie Drahtdurchmesser, mittleren Windungsdurchmesser, die Zahl der federnden Windungen und den Werkstoff an. Der Rechner zeigt, wie stark die Feder ist und wie weit sie unter einer bestimmten Kraft einfedert.

Federgeometrie und Belastung
Außendurchmesser minus Drahtdurchmesser.
Gesamtwindungen minus die zwei angelegten Endwindungen.
Federstahl etwa 81.500, nichtrostender Federstahl etwa 70.000 N/mm².
Ergebnis

Wie stark ist eine Druckfeder?

Die Federrate gibt an, wie viel Kraft nötig ist, um eine Feder um einen Millimeter zusammenzudrücken. Sie hängt stark vom Drahtdurchmesser ab, der mit der vierten Potenz eingeht: Doppelt so dicker Draht macht die Feder sechzehnmal härter. Der Windungsdurchmesser wirkt umgekehrt mit der dritten Potenz, mehr Windungen machen die Feder weicher.

Mit der Federrate lässt sich für jede Kraft der Federweg berechnen und daraus die Länge unter Last. Wichtig ist die Blocklänge, bei der alle Windungen aufeinanderliegen. Darunter kann die Feder nicht weiter zusammengedrückt werden, und schon kurz davor steigt die Spannung im Draht stark an. Der Rechner schätzt die Blocklänge für eine Feder mit zwei angelegten Endwindungen und warnt, wenn die Last die Feder auf Block drücken würde.

Typische Anwendungen sind Ersatzfedern für Ventile, Rückholfedern in Vorrichtungen, Federn im Modellbau oder die Prüfung, ob eine gekaufte Feder zur gewünschten Kraft passt. Die Maße lassen sich mit einem Messschieber ermitteln; die federnden Windungen zählt man ohne die beiden flach angelegten Enden.

R=G⋅d48×D3×n; s=FR; Blockla¨nge≈(n+2)×d; τ=8⋅F⋅Dπ×d3R = \frac{G \cdot d^{4}}{8 \times D^{3} \times n};\ s = \frac{F}{R};\ \text{Blocklänge} \approx \left(n + 2\right) \times d;\ \tau = \frac{8 \cdot F \cdot D}{\pi \times d^{3}}

Beispiel: Draht 2 mm, mittlerer Durchmesser 16 mm, 8 federnde Windungen, Federstahl mit 81.500 N/mm², 50 N Last, 50 mm ungespannte Länge: Federrate 4,974 N/mm, Federweg 10,05 mm, Länge unter Last 39,95 mm. Die Blocklänge liegt bei etwa 20 mm, die Feder geht also nicht auf Block. Schubspannung rund 255 N/mm², Wickelverhältnis 8; bis zur Blocklänge wären etwa 149 N möglich.

Was bei der Auswahl zählt

Das Wickelverhältnis D durch d sollte zwischen etwa 4 und 16 liegen. Sehr enge Federn mit kleinem Verhältnis lassen sich schwer wickeln und haben hohe Spannungsspitzen an der Innenseite des Drahts. Sehr weite Federn neigen zum Ausknicken, vor allem wenn sie lang und schlank sind. Lange Federn führt man deshalb über einen Dorn oder in einer Hülse.

Die angegebene Schubspannung ist der Grundwert ohne Korrekturfaktor. Bei dynamischer Belastung, etwa in Ventilen oder Stoßdämpfern, rechnet die Norm DIN EN 13906-1 mit einem Faktor, der je nach Wickelverhältnis 10 bis 30 Prozent höher liegt. Die zulässige Spannung hängt von Draht und Durchmesser ab; dünne Drähte vertragen höhere Werte.

Für nichtrostende Federn ist der Schubmodul kleiner, die Feder bei gleichen Maßen also weicher. Tragen Sie dann etwa 70.000 N/mm² ein. Bei Federbronze und anderen Werkstoffen liegen die Werte noch niedriger; die genauen Angaben stehen in den Datenblättern der Hersteller.

Herstellungstoleranzen bei Draht und Windungen führen zu Abweichungen der Federrate von einigen Prozent. Für Passungen im Gerät hilft der Toleranzkette-Rechner, für Kräfte in anderen Einheiten der Kraft-Umrechner. Die Ergebnisse sind Richtwerte für die Auswahl; sicherheitsrelevante Federn sollten nach Norm ausgelegt und geprüft werden.

Tipps und typische Fehler

Federn auswählen.

  • Draht: Vierte Potenz.
  • Blocklänge: Abstand halten.
  • Knicken: Dorn nutzen.
  • Edelstahl: Weicher.

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Häufige Fragen

Wie berechne ich die Federkonstante einer Druckfeder?

Mit R = G × d⁴ ÷ (8 × D³ × n) aus Draht, mittlerem Durchmesser und federnden Windungen.

Was ist die Blocklänge?

Die Länge, bei der alle Windungen aufeinanderliegen und die Feder nicht weiter nachgibt.

Warum zählen die Endwindungen nicht mit?

Angelegte Endwindungen liegen auf und federn praktisch nicht.

Wie messe ich den mittleren Windungsdurchmesser?

Außendurchmesser messen und den Drahtdurchmesser abziehen.

Welchen Schubmodul hat Federstahl?

Etwa 81.500 N/mm², nichtrostender Federstahl etwa 70.000 N/mm².

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