Tellerfedern sind insbesondere dann geeignet, wenn signifikante Federkräfte bei gleichzeitig geringen Federwegen erforderlich sind. Tellerfedern erfahren demnach eine zunehmende Verwendung in verschiedenen Branchen. Ihre spezifischen Einsatzgebiete umfassen den Werkzeug- und Vorrichtungsbau, den Bau von Pressen, den Maschinen- und Apparatebau sowie die Entwicklung automatischer Getriebe für Straßenfahrzeuge. Tellerfedern sind von signifikanter Relevanz für die Modulation der Lamellenkupplungen in sowohl automatischen als auch hybriden Antriebssystemen von Verbrennungsmotoren. Der Einsatz von Tellerfedern hat eine signifikante Steigerung der Leistungsfähigkeit der Getriebe sowie eine Optimierung des Wirkungsgrades zur Folge. Die standardisierte Berechnung der Tellerfedern nach DIN findet jedoch lediglich Anwendung für Tellerfedern mit frei gleitenden Innen- und Außenkanten. Im Rahmen des aktuellen Projekts erfolgt eine wesentliche Erweiterung dieser Berechnung.

Im aktuellen Projekt wurden die Designvarianten von Tellerfedern mit unterschiedlichen Freiheitsgraden auf den Innen- und Außenkanten analysiert [1]. Im Folgenden wird dargelegt, wie neuwertigen Tellerfedern mit frei radial gleitenden Kanten und Kanten, die in radialer Richtung bewegt werden, ausgelegt werden. Die Konstruktion erfolgt mit Tellerfedern, die frei gleitende Ränder sowie Ränder mit erzwungener radialer Bewegung aufweisen. Der Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, dass verschiedene Einschränkungen der Radialbewegung der inneren und äußeren Kanten zu einer erwünschten Beanspruchung des Materials führen. Einerseits ist es möglich, den überwiegend Dehnungszustand von Tellerfedern ohne Druckspannung zu erzeugen. Die Stabilität der dünnen Tellerfedern wird dadurch erhöht. Andererseits können in der Regel hauptsächlich Druckspannungen, nicht jedoch Zugspannungen, erzeugt werden. Tellerfedern aus Stahl weisen eine erhöhte Lebensdauer auf, wenn sie solchen Spannungszuständen ausgesetzt werden. Im Ergebnis können die Zug- und Druckspannungsanteile variabel angepasst werden. Durch diese Optimierung werden die Tellerfedern präzise an die gewünschte Anwendung und die ausgewählte Materialart angepasst ist [2].

Die wesentlichen Resultate werden nachfolgend dargestellt:

Wenn beide Kanten der Feder in radialer Richtung frei über den inneren und äußeren Rand frei gleiten, wird die Lage der neutralen Ebene durch die Bedingung des Minimums der elastischen Energie bestimmt (A). Es wirken keine radialen Kräfte an beiden Kanten, wenn das Gleiten reibungslos erfolgt.

Wenn die radiale Bewegung des inneren Randes eingeschränkt ist, entspricht der Stülpmittelpunkt der Position dem inneren Radius (B). In diesem Fall wirkt die Ringzugkraft in der Tellerfeder. Die axiale Steifigkeit der Tellerfeder am inneren Rand höher ist als die axiale Steifigkeit der Feder am freien Rand. Wenn die radiale Bewegung des inneren Randes eingeschränkt wird, verdoppeln sich die Zugspannungen in tangentialer Richtung im Vergleich zu den Spannungen einer frei gleitenden Feder.

Wenn die radiale Bewegung des äußeren Randes eingeschränkt ist, entspricht der Stülpmittelpunkt der Position dem äußeren Radius (C). Die Druckkraft wirkt auf die Tellerfeder und erzeugt eine Dehnungskraft an der Oberfläche des äußeren zylindrischen Hohlraums. Bei einer Einschränkung der radialen Bewegung des äußeren Randes kommt es zu einer Verdopplung der Druckspannungen in tangentialer Richtung.

Wenn die Bewegungen der inneren und äußeren Ränder eingeschränkt sind, kommt es zu einer Verformung der Federn der neutralen Fläche (D). Die axiale Steifigkeit der konischen Tellerfeder mit beiden radial eingeschränkten Ringen nimmt deutlich zu.

Die entwickelte Methode zeichnet sich durch eine besondere Eigenschaft aus. Sie verfügt über die Fähigkeit, sowohl Tellerfedern mit frei gleitenden Rändern als auch Ränder mit erzwungener radialer Bewegung zu berechnen. Es wurden Formeln zur Berechnung von Tellerfedern mit eingeschränkt und frei gleitenden Kanten abgeleitet. Die entwickelten Formeln sind für industrielle Anwendungen von Tellerfedern aus isotropen Werkstoffen, wie Federstahl und anderen herkömmlichen Legierungen, ausreichend genau und einfach zu handhaben. Es ist möglich, die Methode auf die Berechnung geschlitzter Tellerfedern zu erweitern.

Literaturverzeichnis

[1] V. Kobelev, Federntechnologie. Physikalische und Mathematische Grundlagen, Springer Vieweg: Wiesbaden, 2025.

[2] V. Kobelev, „Gleitende und eingespannte Tellerfedern,“ in Ilmenauer Federntag, Tagungsband, TU Ilmenau, 2025.

Der Autor des Beitrages ist Vladimir Kobelev.

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