Was sind Tellerfedern (Belleville-Federn)?

EineTellerfeder, auch Belleville-Feder oder Belleville-Scheibe genannt, ist ein konischer Stahlring, der bei Kompression eine definierte Kraft erzeugt. Die Geometrie ist einfach. Das Verhalten ist es nicht. Gerade dieser kleine Kegel macht diese Federn weltweit zu einem bewährten Bauteil in Flugzeugfahrwerken, Automobil-Kupplungspaketen, Rohrleitungsflanschen und Stellantrieben von Kernkraftwerksventilen.

Grundlagen: Was genau ist eine Tellerfeder?

Stellen Sie sich eine flache Scheibe vor und drücken Sie die Mitte nach unten, bis ein flacher Kegel entsteht.

Dieser Kegel speichert bei axialer Belastung elastische Energie ähnlich wie eine Schraubenfeder, jedoch bei deutlich geringerer Bauhöhe.

Vier Kenngrößen beschreiben jede Tellerfeder: Außendurchmesser (De), Innendurchmesser (Di), freie Höhe (Lo) und Werkstoffdicke (t).

Der wichtigste Konstruktionswert ist das Verhältnis der freien Kegelhöhe (ho) zur Dicke (t), geschrieben als h/t.

Dieses eine Verhältnis entscheidet darüber, ob sich die Feder unter Last steif, weich oder nahezu konstant verhält.

Tellerfedern werden weltweit nach zwei europäischen Normen ausgeführt.DIN EN 16983(zuvor DIN 2093) regelt Abmessungen, Toleranzen und Qualitätsanforderungen.DIN EN 16984(zuvor DIN 2092) behandelt die Berechnungsmethoden.

Beide Normen definieren für jeden Außendurchmesser drei Reihen, A, B und C, wobei jede Reihe ein anderes Lastniveau abdeckt.

Eine Feder mit der Bezeichnung A50 ist beispielsweise eine Feder der Reihe A mit 50 mm Außendurchmesser und der höchsten Laststufe dieser Größe.

Funktionsweise von Tellerfedern

Wird eine Tellerfeder entlang ihrer Achse zusammengedrückt, flacht die Kegelform ab und speichert dabei elastische Energie.

Die Kraft wird wieder konzentrisch abgegeben.

Last- und Entlastungskurve fallen nicht vollständig zusammen. Diese Differenz wird bezeichnet alsHysterese, entsteht durch die innere Reibung des Werkstoffs und, bei einer Reihenschaltung, durch die Reibung zwischen benachbarten Scheiben. Dadurch geht bei jedem Zyklus ein kleiner Teil der Energie verloren, anstatt vollständig zurückgegeben zu werden.

Kein Biegemoment, keine Querbelastung – genau das lässt sich mit einer Schraubendruckfeder nie vollständig vermeiden. Daher sind Tellerfedern in engen, hoch belasteten Verbindungen im Vorteil, in denen eine Schraubenfeder seitlich ausweichen und verklemmen würde.

Das h/t-Verhältnis ist der maßgebliche Hebel, der das Verhalten der Feder grundlegend verändert.

Mit zunehmendem Verhältnis entfernt sich die Last-Weg-Kennlinie von einer Geraden und beginnt abzuflachen.

Dieser Zusammenhang ist in der technischen Fachliteratur gut belegt und in den Auslegungsrichtlinien für Tellerfedern bestätigt:

Der nahezu konstante Kraftbereich in der Mitte des Arbeitswegs ist der eigentliche Nutzbereich.

Konstrukteure nutzen ihn bei Überlastkupplungen und Sicherheitseinrichtungen, wenn bei einer Bewegung der Fuge eine möglichst konstante Kraft erforderlich ist.

Darum benötigt auch eineFedermit einem hohen h/t-Verhältnis eine Führungswelle oder -hülse.

Ohne Abstützung kann sie durchdrücken oder umklappen.

Stapeln: in Reihe, parallel und kombiniert

Die eigentliche Flexibilität von Tellerfedern ergibt sich erst durch das Stapeln.

Durch die Kombination von Federn in unterschiedlichen Ausrichtungen entstehen aus demselben Standardbauteil sehr unterschiedliche Kraft-Weg-Kennlinien.

Durch die Kombination beider Methoden, also parallel geschalteten Federn und in Reihe verbundenen Gruppen, können Ingenieure mit einem Standardbauteil nahezu jede gewünschte Kraft-Weg-Kennlinie realisieren.

Das ist ein wesentlicher Grund dafür, dass Tellerfedern in Präzisionsanlagen so verbreitet sind: Ein einzelnes Katalogteil lässt sich für einen großen Bereich an Kraft- und Weganforderungen auslegen, ohne dass eine kundenspezifische Ausführung gefertigt werden muss.

Tellerfedern vs. Schraubendruckfedern: Wann welche Lösung sinnvoll ist

Wann sollten Sie also tatsächlich eine Tellerfeder statt einer Schraubendruckfeder wählen?

Bei engem Bauraum und hoher Last nahezu immer.

Wenn ein langer, gleichmäßiger Federweg gefordert ist, nur selten. Die falsche Wahl ist hier eine häufige Ursache für Ausfälle im Betrieb, weshalb die jeweiligen Zielkonflikte offen bewertet werden sollten.

Die folgende Tabelle zeigt die Faktoren, die in der Praxis meist den Ausschlag geben.

Werkstoffe und Oberflächenbehandlungen

Beim Werkstoff entscheidet sich oft unauffällig, ob eine Konstruktion am Ende überzeugt oder scheitert.

Der Grundwerkstoff legt den Temperaturbereich, die Korrosionsbeständigkeit und die Ermüdungslebensdauer zugleich fest. Eine Entscheidung, mit der sich am Band ein paar Cent sparen lassen sollen, kann sich daher Jahre später als gerissene Feder an einer Stelle bemerkbar machen, die niemand gern wieder öffnet.

Kohlenstoff- und legierter Federstahl, typischerweise 51CrV4 nach EN 10089, behält seine Elastizität im Dauereinsatz bis etwa 300°C; einige Hersteller geben für kurze Temperaturspitzen höhere Werte an.

Für korrosive oder tiefkalt eingesetzte Anwendungen bis etwa −200°C sind häufig nichtrostende Werkstoffe die erste Wahl:X12CrNi 17 7 (DIN 1.4310), eingesetzt bis zu einer Dicke von etwa 1,25 mm, sowieX7CrNiAl 17 7 (DIN 1.4568)für dickere Federn, die führende Hersteller wegen ihrer sehr guten Korrosionsbeständigkeit und ihres Einsatzes bei hohen Temperaturen bis etwa 600°C bewerten.

Für besonders anspruchsvolle Anwendungen in Turbinen und der Energieerzeugung werden Nickelbasislegierungen eingesetzt, etwaInconelundNimonic, die ihre Federeigenschaften auch bei Temperaturen beibehalten, bei denen Standard-Nichtroststähle entspannen oder an Festigkeit verlieren würden.

Auch die Oberflächenbehandlung ist von Bedeutung.

Phosphatierung und Ölungsind die Standardoberfläche; sie bieten einen grundlegenden Korrosionsschutz und unterstützen die Schmierstoffbindung der Feder.

Festwalzenerzeugt Druckeigenspannungen an der Oberfläche, wodurch die Zugspannungen reduziert werden, die üblicherweise Ermüdungsrisse auslösen.

Hersteller-Designrichtlinien empfehlen dieses Verfahren ausdrücklich für dynamisch beanspruchte Federn, bei denen die Ermüdungslebensdauer im Vordergrund steht.

Einsatzbereiche von Tellerfedern

Der zentrale Vorteil der Tellerfeder liegt in hoher Kraft bei sehr geringem axialem Bauraum.

Damit ist sie in einer ganzen Klasse von Konstruktionsaufgaben nur schwer zu ersetzen: knapper Bauraum bei hohen Lasten und dem Anspruch auf ein über viele Lastspiele hinweg reproduzierbares Verhalten.

Analysten nennen durchgängig die Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie den Maschinenbau als größte Endanwendersegmente; dahinter folgen Öl und Gas, Energieerzeugung und Bauwesen.

Die passende Tellerfeder auswählen: Ein praxisorientierter Leitfaden

Eine Tellerfeder lässt sich nicht einfach direkt aus einem Diagramm auswählen.

Ausgangspunkt sind stets die tatsächlichen Anforderungen der Verbindung – Last und Federweg – und erst danach folgen Geometrie, Werkstoff und Stapelung.

Die folgenden vier Schritte entsprechen in der Praxis der Vorgehensweise der meisten Konstrukteure.

Schritt 1: Last- und Federweggrenzen festlegen

Welche Mindestlast muss die Verbindung sicher aufnehmen, und welchen Maximalwert darf sie nicht überschreiten?

Welchen Gesamthub benötigt das System?

Diese Werte bestimmen alle weiteren Auslegungsentscheidungen.

Eine weit verbreitete Auslegungsregel begrenzt die Arbeitsdurchbiegung auf 75 % der freien Kegelhöhe (ho).

Darüber hinaus steigen Kraft und Spannung stark an, was die Ermüdungslebensdauer verkürzt.

Schritt 2: Stapelungsstrategie festlegen

Wenn die Last maßgebend ist und ausreichend Weg zur Verfügung steht, sollten die Federn parallel gestapelt werden.

Wenn der erforderliche Hub begrenzend ist, werden die Federn in Reihe gestapelt.

Hybride Stapel, also Gruppen parallel angeordneter Scheiben in Reihenschaltung, eignen sich für Anwendungen, bei denen sowohl die Last als auch der Hub die Leistungsfähigkeit einer einzelnen Scheibe übersteigen.

Halten Sie Stapel so kurz wie praktikabel. Bei langen Stapeln führt die Reibung dazu, dass die Scheiben am beweglichen Ende zu stark ausweichen, während die Scheiben am gegenüberliegenden Ende zu wenig ausweichen.

Schritt 3: Werkstoff und Oberflächenzustand festlegen

Der Werkstoff ist auf Betriebstemperatur, Korrosionsumgebung und gegebenenfalls magnetische Anforderungen abzustimmen.

Greifen Sie nicht allein deshalb pauschal zu Kohlenstoffstahl, weil er günstiger ist.

Der falsche Werkstoff an einem Unterwasser-Armaturventil kann durch Stillstandszeiten deutlich höhere Kosten verursachen als der Preisunterschied zwischen den Federwerkstoffsorten.

Schritt 4: Abgleich mit der Norm

DIN EN 16984 legt das Berechnungsverfahren für Last und Spannung fest, während DIN EN 16983 die Abmessungen und Toleranzen definiert.

Bei hochzyklischer Beanspruchung muss der Arbeits-Spannungsbereich innerhalb der Dauerfestigkeit des Werkstoffs bleiben, die Hersteller in ihren Konstruktionshandbüchern als S-N-Kurven (Spannung über Lastspielzahl) veröffentlichen.

Vorgespannte, also gescragte Federn, die während der Fertigung bis zur Flachpressung zusammengedrückt werden, sodass nicht federnde Teile ausgesondert werden können, arbeiten im dynamischen Einsatz deutlich berechenbarer.

Normen und Konformität

Hier sind zwei Normen maßgeblich; in älteren Zeichnungen erkennen Sie ihre deutschen Vorgänger noch problemlos wieder.

DIN 2092 und DIN 2093 wurden zum 1. Februar 2017 zurückgezogen und in die nachstehenden europäischen Normen überführt.

Der technische Inhalt blieb unverändert; lediglich die Normnummer auf dem Titelblatt wurde geändert. Ein Bauteil nach der alten DIN ist daher unter der neuen EN dasselbe Bauteil.

Federn nach DIN EN 16983 werden nach dem Herstellungsverfahren gruppiert; die Zuordnung erfolgt über die Dicke.

Gruppe 1 umfasst Scheiben unter 1,25 mm, kaltgeformt mit verrundeten Kanten und ohne Auflageflächen.

Gruppe 2 reicht von 1,25 mm bis einschließlich 6 mm; sie wird kaltgeformt oder feinblankiert und bearbeitet.

Gruppe 3 umfasst Scheiben über 6 mm bis 14 mm, die gemäß Norm mit Auflageflächen ausgeführt werden sollten.

Die Gruppierung ist relevant, da sich die Toleranzfelder zwischen den Gruppen unterscheiden.

Eine Scheibe der Gruppe 3 kann nicht auf die Toleranzen der Gruppe 1 gefertigt werden.

Funktion der Auflageflächen

Scheiben der Gruppe 3 (über 6 mm Dicke) werden mitAuflageflächen: kleinen bearbeiteten Flächen am oberen Innendurchmesser und am unteren Außendurchmesser, an denen sich benachbarte Scheiben im Stapel tatsächlich berühren.

Die Auflageflächen halten die Scheiben beim Stapeln in Ausrichtung, verkürzen jedoch auch den wirksamen Hebelarm und erhöhen dadurch die Federkraft. Hersteller gleichen dies durch eine geringfügige Reduzierung der Materialdicke auf t' aus; so werden die ursprüngliche Kraft bei 75 % Durchbiegung und die ursprüngliche Gesamthöhe wieder erreicht, allerdings bei einem etwas größeren Kegelwinkel.

Häufig gestellte Fragen

Sind Tellerfedern und Belleville-Federn exakt dasselbe Bauteil?

Ja. Es handelt sich um dasselbe Bauteil unter unterschiedlichen Bezeichnungen. „Disc spring“ ist die in europäischen Normen wie DIN EN 16983 verwendete Bezeichnung, während „Belleville washer“ beziehungsweise „Belleville spring“ der in Nordamerika gebräuchliche Begriff ist. Er geht auf den französischen Ingenieur Julien Belleville zurück, der das Konzept der Kegelfeder 1867 patentierte. Gemeint ist in allen Fällen ein konischer Ring, der entlang seiner Achse belastet wird.

Warum verändert sich die Kraft-Weg-Kennlinie mit dem h/t-Verhältnis?

Beim Zusammendrücken einer Tellerfeder in Richtung Flachlage verringert sich ihr Kegelwinkel, und der wirksame Hebelarm wird kürzer; dadurch ändert sich die Steifigkeit über den gesamten Federweg. Ein niedriges h/t-Verhältnis hält diesen Effekt gering, sodass die Kennlinie nahezu linear bleibt. Bei einem höheren Verhältnis dominiert dieser Effekt, es entsteht eine degressive Kennlinie und im mittleren Bereich eine Zone nahezu konstanter Kraft. Entscheidend ist die Geometrie, nicht die Werkstoffwahl; deshalb kann derselbe Stahl bei unterschiedlichen h/t-Verhältnissen sehr verschiedene Kennlinien aufweisen.

Wie viele Tellerfedern können miteinander gestapelt werden?

Eine feste Obergrenze gibt es nicht; maßgeblich sind jedoch die praktischen Randbedingungen. Lange Parallelschaltungen benötigen eine innere Führungswelle oder eine äußere Hülse, um Knicken zu verhindern, und mit zunehmender Stapelhöhe steigt die Reibung zwischen den Federn, was die Lastgenauigkeit verringert. Viele Konstrukteure setzen bei langen Stapeln Federzwischenringe ein und halten die Stapel so kurz wie es die Last- und Weganforderungen zulassen, da sich kürzere Stapel unter dynamischer Belastung gleichmäßiger durchbiegen.

Wodurch versagt eine Tellerfeder vorzeitig?

Die vier häufigsten Ursachen sind: eine Überschreitung der 75-%-Empfehlung für die Auslenkung im dynamischen Betrieb, die Wahl eines ungeeigneten Werkstoffs für die Temperatur- oder Chemikalienbelastung, der Betrieb einer gestapelten Einheit ohne Schmierung, sodass es zu Fressen an den Kontaktflächen kommt, sowie das planmäßige Zusammendrücken der Feder bei der Montage, wodurch sie sich plastisch verformt und ihre Kraftkennlinie dauerhaft verschiebt. Tellerfedern dürfen niemals durch vollständiges Zusammendrücken als Montageverfahren auf Flachlage gebracht werden.

Was sind Kontaktflächen, und warum verfügen manche Tellerfedern darüber?

Kontaktflächen sind kleine bearbeitete Auflageflächen am oberen Innendurchmesser und am unteren Außendurchmesser einer Tellerfeder; sie sind nach DIN EN 16983 für Federn der Gruppe 3 mit einer Werkstoffdicke über 6 mm vorgeschrieben. Sie sorgen bei gestapelten Federn für einen stabilen, fluchtenden Kontaktpunkt anstelle einer scharfen Kante. Da die Kontaktflächen den wirksamen Hebelarm verkürzen, steigt die Federkraft bei gleicher Auslenkung; Hersteller gleichen dies durch eine geringfügige Reduzierung der Dicke auf t' aus. So bleiben die Kraft bei 75 % Auslenkung und die Gesamthöhe unverändert, wenngleich sich der Kegelwinkel leicht vergrößert.

Können Tellerfedern bei Temperaturen über 300 °C eingesetzt werden?

Ja, mit dem richtigen Werkstoff. Standard-Kohlenstoff- und legierte Stähle wie 51CrV4 behalten ihre Federeigenschaften im Dauerbetrieb bis etwa 300 °C. Für höhere Temperaturen werden ausscheidungshärtende rostfreie Stähle wie X7CrNiAl 17 7 (DIN 1.4568) bevorzugt; führende Hersteller geben hierfür Einsatzgrenzen bis etwa 600 °C an. Für die extremsten Anwendungen in Turbinen und der Energieerzeugung kommen Nickelbasislegierungen wie Inconel und Nimonic zum Einsatz. Bei hohen Temperaturen nimmt die Relaxation, also der schrittweise Kraftverlust unter dauerhafter Belastung, deutlich zu und muss in der Auslegung berücksichtigt werden.

Wie wird die Belastung eines Tellerfederstapels berechnet?

Die Kraft-Weg-Beziehung der Einzelfeder ergibt sich aus den Formeln der DIN EN 16984, in denen Außendurchmesser, Innendurchmesser, Kegelhöhe, Dicke und der Elastizitätsmodul des Werkstoffs berücksichtigt werden. Bei einer Parallelschaltung entspricht die Gesamtlast näherungsweise der Last einer Einzelfeder multipliziert mit der Anzahl der Federn. Bei einer Reihenschaltung ergibt sich der Gesamtweg bei gleicher Belastung aus dem Weg einer Einzelfeder multipliziert mit der Anzahl der Federn. Die meisten Hersteller stellen auf diesen Formeln basierende Berechnungstools bereit, und mit FEA-Software lassen sich komplexe Hybridstapel validieren.

Quellen und weiterführende Literatur:Wikipedia,Tellerfeder· Norm DIN EN 16983, erhältlich überBeuth Verlag· U.S. Patent and Trademark Office,Führungsystem für Tellerfedern (US8366082B2)

Dieser Artikel richtet sich an Fachleute aus Konstruktion und Einkauf. Prüfen Sie die Federauswahl stets anhand der vollständigen Normen DIN EN 16983 und DIN EN 16984 und ziehen Sie für sicherheitskritische Anwendungen eine qualifizierte Fachkraft hinzu.