Montage von Tellerfedern: Stapelorientierung, Vorspannung und Klemmkraft

Eine Tellerfeder ist eine konische Federscheibe, die beim Abflachen Axialkraft aufbaut. Der richtige Einsatz hängt im Wesentlichen von drei Entscheidungen ab: in welche Richtung sie eingebaut wird, wie viele Sie in welcher Anordnung stapeln und wie weit Sie sie vorspannen. Prüfen Sie die Anlageflächen und die Stapelfolge anhand der Montagezeichnung, komprimieren Sie auf die Einbauhöhe, die der geforderten Last entspricht, und verifizieren Sie anschließend die Einstellung. Eine allgemeingültige Regel wie „hohle Seite nach oben“ gibt es ebenso wenig wie ein universelles Anziehdrehmoment.

Dieser Leitfaden behandelt Einbau und Überprüfung. Wie Tellerfedern funktionieren und wie Sie die passende Ausführung auswählen, erfahren Sie unter Was Tellerfedern sind und wie sie funktionieren. Die Begriffe „Belleville washer“ und „Tellerfeder“ werden im Alltag teilweise synonym verwendet; maßgeblich für Toleranzen, Lastverhalten und Eignung für wechselnde Beanspruchung ist jedoch die Produktspezifikation, nicht die Bezeichnung.

Wie tragen Tellerfedern zur Erhaltung der Klemmkraft bei?

Das Anziehen erzeugt die Vorspannung. Eine Tellerfeder erhöht diese nicht zusätzlich, sondern bringt Nachgiebigkeit in den Kraftfluss ein, sodass bei Setzerscheinungen der Verbindung weniger Kraft verloren geht. Der Nutzen hängt davon ab, wie steif der Federstapel im Betriebsbereich ist und welcher Federweg zur Verfügung steht.

Sie verhindert weder Setzen noch Kriechen oder Relaxation, und sie schützt auch nicht vor jeder Form des Lösens. Temperaturänderungen können die Vorspannung je nach Geometrie und Werkstoff entweder erhöhen oder verringern. Prüfen Sie daher sowohl die minimal verbleibende Last als auch die maximale Last, die im Betrieb zu erwarten ist. Typischerweise kommen diese Federscheiben bei Verbindungen mit Dichtungen, bei weichen oder kriechenden Werkstoffen wie Kupfer und Aluminium sowie bei stark schwankenden Temperaturen zum Einsatz.

Rechenbeispiel: Vorspannungsverlust nach Setzerscheinungen

Eine verschraubte Kupfersammelschienenverbindung ist ein klassischer Anwendungsfall, da Kupfer unter Dauerlast kriecht und sich mit der Temperatur verändert. Nachfolgend ein vereinfachtes Beispiel mit angenommenen Werten, nicht mit LILY-Anwendungsdaten. Es handelt sich um eine axiale Verbindung ohne äußere trennende Last und ohne Bypass-Kontakt; die Steifigkeiten werden über den kleinen Entlastungsbereich als konstant angenommen.

• Anfängliche Vorspannung F0: 1,000 lbf.

• Setzsteifigkeit ohne Feder, k0: 500,000 lbf/in, wobei k0 = 1 / (1/kb + 1/km) gilt; kb ist die Schraubensteifigkeit und km die Steifigkeit der verspannten Bauteile.

• Bleibende Verkürzung des verspannten Pakets: 0.001 in.

• Entlastungssteifigkeit des Tellerfederstapels ks im Betriebsbereich: 20,000 lbf/in. Es wird angenommen, dass durch den Einbau der Feder die übrigen Steifigkeiten unverändert bleiben.

In diesem Modell ergibt sich der Vorspannungsverlust aus Steifigkeit mal Setzung. Ohne Feder beträgt er 500,000 × 0.001 = 500 lbf. Mit Feder gilt k = 1 / (1/k0 + 1/ks) ≈ 19,231 lbf/in, sodass der Verlust etwa 19 lbf beträgt und rund 981 lbf verbleiben. Es handelt sich hierbei um Modellwerte, nicht um eine zugesicherte Verbesserung für jede Verbindung.

Die 20,000 lbf/in beschreiben eine lokale Entlastungssteifigkeit. Daraus lässt sich jedoch nicht ableiten, wie weit der Stapel gegenüber seinem unbelasteten Zustand bereits durchgebogen ist. Verwenden Sie daher die vollständige Kraft-Weg-Kennlinie, um die Anfangseinstellung, den Entlastungsweg und die Betriebsgrenzen zu bestätigen. Der Vergleich berücksichtigt außerdem keine Temperatureffekte, kein fortschreitendes Kriechen und keine Änderungen der Kontaktsteifigkeit.

Vor dem Einbau: Bauteil und Kraftfluss prüfen

Beginnen Sie mit der Teilenummer und der Montagezeichnung. Ähnliche Außenabmessungen bedeuten nicht automatisch identische Lastkurven, Toleranzen oder Ermüdungslebensdauer. Im Datenblatt JHBCKFB von LILY steht beispielsweise die Arbeitslast direkt neben Einbauhöhe und Durchbiegung; lesen Sie diese Werte daher als einen gemeinsamen Betriebspunkt. Vergleichen Sie die Tellerfedern und Belleville-Tellerscheibenfedern richten Sie sich nach den tatsächlichen Spezifikationen und nicht nur nach der Bezeichnung, oder beginnen Sie mit der Kategorie der Tellerscheibenfedern.

Verfolgen Sie anschließend den Kraftfluss durch die Baugruppe. Eine Schulter, ein Abstandselement oder ein Anschlag kann nach dem Kontakt einen Lastpfad um die Feder herum erzeugen. Stellen Sie daher sicher, dass die Feder über den gesamten Hub der einzige axiale Lastpfad bleibt.

Wie werden Belleville-Scheibenfedern ausgerichtet?

Bei einer einzelnen Scheibe unter einer Mutter oder einem Schraubenkopf ist die übliche Anordnung: die Wölbung zur Mutter, der Rand zur Fügefläche. Mutter oder Kopf belasten dabei die angehobene Innenkante, während der Außenrand auf der Fügefläche oder einer Auflagescheibe aufliegt. Das ist eine übliche Praxis, jedoch keine zwingende Regel. Prüfen Sie die Ausrichtung daher anhand der Kontaktgeometrie in Ihrer Zeichnung.

Wird die Scheibe umgedreht, kann sich das Ergebnis ändern. Bei gleichwertigen ebenen Auflagen behält eine symmetrische Scheibe zwar dieselbe ideale axiale Kennlinie. In der Praxis sind die Auflagen jedoch selten gleichwertig. Der Auflagedurchmesser der Mutter, die Bohrungsgröße, eine Senkung oder eine Schulter können dazu führen, dass eine Kante nicht abgestützt ist oder in einer Orientierung ein Eingriff entsteht. Dann kann die Mutter statt auf der Kante auf der Kegelfläche aufliegen. Im Internet finden sich beide Varianten, weil die Antwort von genau dieser Geometrie abhängt.

Beschreiben Sie die Richtung immer bezogen auf die Mutter, die Fügefläche und benachbarte Scheiben, niemals nur mit „oben“ oder „unten“. Fotografieren oder markieren Sie die Reihenfolge vor der Demontage, prüfen Sie sie jedoch gegen die freigegebene Zeichnung, denn eine vorhandene Baugruppe kann bereits falsch montiert sein.

Beide Kontaktkanten sind schmale Ringe mit hoher lokaler Flächenpressung. Ist eine Auflagescheibe oder ein gehärteter Sitz vorgeschrieben, sind die vorgegebene Größe und das Material zu verwenden. Eine beliebige Flachscheibe kann sich verformen, sich in eine weiche Oberfläche einprägen oder Reibung, Hub und Gewindeeingriff verändern.

Reihen-, Parallel- und Kombinationsstapel

Bei identischen Scheiben ergibt das gleichgerichtete Verschachteln eine Parallelschaltung. Werden die Richtungen abwechselnd angeordnet, entsteht ein Reihenstapel. Gleich große Parallelelemente, die in Reihe angeordnet sind, bilden einen Kombinationsstapel. Die folgenden Zusammenhänge gelten bei axialer Belastung und vernachlässigbarer Reibung.

Seitenansicht eines Tellerscheibenfederstapels mit den konischen Konturen und den Kontaktspalten.

Ein Beispiel mit vier Scheiben

Angenommen, eine Scheibe liefert bei einer Durchbiegung von 0,012 in (0,30 mm) etwa 225 lbf (1.000 N). Bei genau diesem Punkt ergeben sich idealerweise folgende Werte:

• Vier parallel: ≈900 lbf (4.000 N) bei 0,012 in (0,30 mm).

• Vier in Reihe: ≈225 lbf (1.000 N) bei 0,047 in (1,20 mm).

• Zwei parallele Paare in Reihe: ≈450 lbf (2.000 N) bei 0,024 in (0,60 mm).

Dabei handelt es sich um die Rechenregeln für die Stapelung, nicht um eine LILY-Kennlinie. Reibung und geometrische Abweichungen verändern die Messwerte, und lange Stapel müssen gegen laterale Instabilität geführt werden. Legen Sie die tatsächliche Reihenfolge, die Spielverhältnisse und die Schmierung fest, und mischen oder ersetzen Sie keine Scheiben außerhalb der freigegebenen Konstruktion.

Vorspannung aus Last-Durchbiegungs-Daten bestimmen

Die Vorspannung ist die Kraft, die bereits anliegt, bevor die Betriebsbelastung einsetzt. Bestimmen Sie sie aus dem für die Verbindung erforderlichen Kraftbereich, nicht als Prozentsatz der Flachlast und auch nicht, indem Sie so lange anziehen, bis die Scheibe optisch flach erscheint.

Stapel-Durchbiegung S = H(frei) − H(eingebaut)

Verwenden Sie für beide Höhen denselben Stapel und dieselben Messflächen. Auch Bolzenstreckung und Setzen nehmen Verbindungsweg auf; die gesamte Verbindungsbewegung ist daher nicht mit der Federdurchbiegung identisch.

Ein reales LILY-Datenblatt lesen

JHBCKFB ist ein kleines Bauteil und wird hier ausschließlich zur Erläuterung der Datenblattfelder verwendet, nicht als Empfehlung für eine bestimmte Schraubverbindung. In der Zeichnung sind die Dicke (0.007 in) und die Gesamthöhe (0.013 in) separat bemaßt.

Die Höhendifferenz, 0.013 − 0.010 = 0.003 in (0.076 mm), entspricht der Arbeitsdurchbiegung bei 6 lbf (etwa 26.7 N). Zieht man die Dicke ab, ergibt sich eine nominelle Kegelhöhe von 0.013 − 0.007 = 0.006 in; die Arbeitsdurchbiegung beträgt damit ungefähr die Hälfte davon.

Dabei handelt es sich um gerundete Nennwerte. Sie liefern keine vollständige Kennlinie, keine Krafttoleranz und keine Ermüdungsbewertung; zudem lässt sich aus zwei gerundeten Endpunkten die Kurvenform nicht nachweisen. Beschaffen Sie die relevanten Last-Durchbiegungs-Daten, bevor Sie einen weiteren Betriebspunkt festlegen oder das Bauteil eine kritische Last übernehmen lassen.

Belleville-Scheiben Schritt für Schritt montieren

Eine angegebene flache Last ist nicht automatisch die Einbaulast. Manche Produkte sind für definierte abgeflachte Betriebszustände ausgelegt, andere benötigen zusätzlichen Federweg. Maßgebend sind daher stets die Einsatzgrenzen des jeweiligen Bauteils. „Vollständig flach“ ist weder ein allgemeingültiger Zielzustand noch ein allgemeingültiges Versagen.

Klemmkraft prüfen: Welche Aussage die einzelnen Messungen liefern

Bei einer einfachen, ruhenden Verbindung ohne äußere trennende Last und ohne Bypass-Kontakt trägt eine Feder im axialen Kraftpfad der Schraube dieselbe Kraft wie die Schraube selbst. Unter Betriebsbelastung können sich Schraubenvorspannung und verbleibende Klemmkraft jedoch unterscheiden. Prüfen Sie deshalb zunächst das Lastmodell der Verbindung.

Die Fastener Design Manual, RP-1228 behandelt Verbindungselemente, Anzugsdrehmoment, Schmierstoffe und Beschichtungen – genau dort entstehen wesentliche Streuungen zwischen Drehmoment und Vorspannkraft. Ein für einen bestimmten Reibzustand validiertes Drehmoment lässt sich nicht ohne Weiteres auf andere Bedingungen übertragen. Wenn die Kraftgenauigkeit entscheidend ist, sollte die Montage mit der vorgegebenen Messmethode verifiziert werden.

Typische Montageprobleme

RFQ-Checkliste für Ersatz- oder Anwendungsanfragen

Bitte senden Sie mit Ihrer Anfrage folgende Angaben mit:

• Vorhandene Teilenummer, Zeichnung oder aussagekräftige Fotos des Pakets

• Zielkraft und Federweg (oder Einbauhöhe)

• Außendurchmesser, Innendurchmesser, Dicke und Freihöhe

• Werkstoff und Oberflächenausführung

• Temperatur- und Umgebungsbedingungen

• Lastkollektiv und Austauschgrund

• Stückzahl

Für korrosive Umgebungen siehe korrosionsbeständige Tellerfedern und prüfen Sie das Werkstoffverhalten anhand der tatsächlichen Medien- und Umgebungsbelastung. Wenn Ihnen Kennlinie oder Einbausituation nicht vorliegen, übermitteln Sie uns bitte Ihre Anwendungsdaten bevor Sie einen Ersatz auswählen.

Häufig gestellte Fragen

Benötige ich zu einer Tellerfeder eine Unterlegscheibe?

Nur wenn die Konstruktion dies vorsieht. Eine gehärtete Unterlegscheibe ist üblich auf weichen oder leicht eindrückbaren Oberflächen oder bei einem zu großen Loch; sie verändert jedoch auch Reibung und Federweg. Richten Sie sich nach der Zeichnung und ergänzen Sie nichts eigenmächtig.

Kann eine Tellerfeder eine Sicherungseinrichtung ersetzen?

Nicht allein. Sie trägt dazu bei, die Vorspannung zu halten, wenn sich die Verbindung setzt oder bewegt; deshalb wird sie bei Vibrationen und Temperaturwechseln eingesetzt. Axiallasten zu halten und ein Verbindungselement formschlüssig zu sichern, sind jedoch unterschiedliche Aufgaben. Ist in der Verbindungs-Spezifikation eine Sicherungsmethode vorgeschrieben, muss diese beibehalten werden, sofern nicht eine freigegebene Neuauslegung und entsprechende Prüfungen etwas anderes vorgeben.

Woran erkenne ich, dass eine Tellerfeder falsch herum montiert ist?

Vergleichen Sie sie zunächst mit der Zeichnung oder Ihren früheren Fotos. Eine falsch herum montierte Feder zeigt häufig Kontaktspuren an der falschen Kante oder die Mutter liegt auf der Kegelfläche auf; außerdem stimmen Einbauhöhe oder Kraft nicht mit dem überein, was der Federsatz liefern sollte. Messen Sie vor einer Entscheidung, denn eine falsche Anzahl an Federn kann optisch dasselbe Bild ergeben.

Soll die Verbindung nach dem ersten Betriebszyklus nachgezogen werden?

Nur wenn das Instandhaltungsverfahren dies vorsieht. Ein ungeplantes Nachziehen kann die Last erhöhen oder den verbleibenden Federweg aufbrauchen. Bei einer planmäßigen Nachprüfung sind die vorgegebenen Temperatur-, Entlastungs- und Messbedingungen einzuhalten.

Kann ich bei der Instandhaltung entfernte Unterlegscheiben wiederverwenden?

Prüfen Sie zunächst die Produktanweisungen und Ihre Prüfkriterien. Eine Unterlegscheibe kann optisch einwandfrei erscheinen und dennoch Vorspannkraft verloren haben. Ist eine Wiederverwendung zulässig, sind Abmessungen und Lastverhalten anhand der Akzeptanzgrenzen zu überprüfen; Teile mit unbekannter Vorgeschichte sind zu ersetzen.