Torsionsfeder-Drehmoment-Entspannung: Auswahl der Güte über 150 C

Eine Torsionsfeder, die bei Raumtemperatur perfekt funktioniert, kann nach einigen Monaten auf einer heißen Baugruppe ein Fünftel ihres Drehmoments verlieren. Dies ist keine Ermüdung und keine Korrosion. Es ist Spannungsrelaxation: Unter einer anhaltenden Last bei erhöhter Temperatur wandelt das Material elastische Dehnung langsam in permanente Verformung um, und das Drehmoment, das das Teil an Ort und Stelle hält, verschwindet leise.

Dieser Artikel erklärt, wo die Relaxation bei Torsionsfedern aus Edelstahl signifikant wird, wie die Wahl der Güte die Rate verändert und wie die Feder so dimensioniert wird, dass das Drehmoment am Ende der Lebensdauer noch vorhanden ist.

Relaxation ist Zeit bei Temperatur, nicht Lastzyklen

Ermüdung wird durch Zyklen angetrieben. Relaxation wird durch Zeit und Temperatur unter einer gehaltenen Ablenkung angetrieben. Eine komprimiert auf einem Regal sitzende Feder entspannt sich nicht; eine Feder, die 2.000 Stunden lang bei 180 °C im Arbeitswinkel gehalten wird, tut dies. Für Geräte- und Automobilteile, die jahrelang abgelenkt bleiben, ist die Relaxation normalerweise der limitierende Auslegungsfall, nicht die Lebensdauer.

Die Rate hängt von drei Variablen ab: absolute Temperatur, anfängliche Spannungsniveau als Bruchteil der Streckgrenze und Zeit. Eine Verdoppelung der absoluten Temperatur kann die Relaxationsrate um eine Größenordnung erhöhen, weshalb die praktische Schwelle für kaltgezogene Edelstahlfedern bei etwa 150 °C liegt.

Wie viel Drehmoment geht verloren

Größenordnung für kaltgezogene 302 und 304 bei moderater Spannung, gehalten für 1.000 Stunden:

• Bis 100 C: etwa 3-5% Drehmomentverlust, oft innerhalb der normalen Messstreuung
• 150 C: etwa 6-10%
• 200 C: etwa 10-15%
• 250-300 C: etwa 15-25%, und die Geometrie kann zu kriechen beginnen

Über 300 C ist kaltgezogener austenitischer Draht nicht mehr die richtige Wahl für eine Feder, die Drehmoment halten muss. Entweder wechselt das Design zu einer hitzebeständigen Güte, oder die Feder wird durch einen anderen Mechanismus ersetzt.

Drei Hebel zur Reduzierung der Relaxation

1. Reduzieren Sie die Anfangsspannung

Der mit Abstand wirksamste Hebel. Eine Feder, die bei 40% der Streckgrenze ausgelegt ist, entspannt sich weit weniger als dieselbe Feder bei 70%. Wenn die Baugruppe Platz für eine zusätzliche Windung oder 0,1 mm mehr Drahtdurchmesser hat, nutzen Sie diese: Das zusätzliche Material sorgt für Drehmomentstabilität statt für Spitzenmoment.

2. Stabilisierende Behandlung nach dem Wickeln

Eine Spannungsentlastung bei 200-300 C entfernt die Wickelspannung, und eine stabilisierende Behandlung bei höherer Temperatur unter voreingestellter Ablenkung geht weiter, indem die Feder vor dem Einsatz entspannt wird. Die Feder wird auf ein etwas höheres Drehmoment voreingestellt, behandelt und liefert dann ab dem ersten Zyklus ein stabiles Drehmoment.

3. Auswahl der Güte

302 und 304 verhalten sich bis etwa 250 C ähnlich. 316 fügt Molybdän für Korrosionsbeständigkeit im heißen feuchten Einsatz hinzu, ist aber bei Temperatur nicht stärker. 430 widersteht dem Anlaufen bei höherer Temperatur, hat aber eine geringere Festigkeit bei erhöhter Temperatur, so dass es für nicht kritische Positionierungsfedern statt für Lasttragfedern geeignet ist. Kaltgezogener Draht behält mehr von seiner Kaltverfestigung als geglühter Draht und entspannt sich daher langsamer, verliert aber diesen Vorteil, wenn die Einsatztemperatur den Glühbereich erreicht.

Spezifikationsfenster

Anwendungen, bei denen dies wichtig ist

• Scharniere und Dämpferfedern für Ofentüren
• Mechanismen für Kochfelder und Grillverschlüsse
• Clips für Innenräume und Motorräume von Autos
• Industrielle Dämpfer- und Klappenrückstellfedern
• Federn für Heizungs- und HLK-Aktoren

Wie man eine Feder für Heißanwendungen spezifiziert

Geben Sie die Dauerbetriebstemperatur, die Spitzentemperatur und die Dauer der Spitze an, den Arbeitsablenkwinkel, das am Ende der Lebensdauer erforderliche Drehmoment anstelle der Lieferung und die erwarteten Betriebsstunden. Mit diesen fünf Angaben kann das Design anhand der Relaxation überprüft werden, anstatt durch Versuch und Irrtum im Feld validiert zu werden.

TOPONE zieht seit 1993 Edelstahldraht und liefert gewickelte Torsionsfedern von 0,15 mm bis 12 mm, so dass Güte, Drahtzustand und Wärmebehandlung der Feder zusammen spezifiziert werden und die Drehmomentgarantie bei der Temperatur gilt, die das Teil tatsächlich sieht.