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Smalley-Wellenfedern brauchen bis zu 50 % weniger Platz

Smalley-Wellenfedern von TFC machen Elektromotoren schlanker
Niedrige Federrate optimiert Toleranzausgleich

In den C-Teile-Listen der Automobilindustrie finden sich häufig Flachdraht-Wellenfedern des US-Herstellers Smalley, die hierzulande von TFC vertrieben werden. Welche Dienste die Wellenfedern beim Optimieren automobiler Elektromotoren leisten, zeigt das folgende Einsatzbeispiel.

Julius Moselweiß
Fachjournalist in Darmstadt

Die facettenreichen Auswirkungen des E-Mobility-Booms bringen eine steigende Dynamisierung der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet des Elektromotorenbaus mit sich. Wie lassen sich die Motoren noch kompakter und effizienter gestalten? Entscheidend sind zuweilen konstruktive Details. Ein namhafter Elektromotoren-Hersteller hatte beispielsweise jüngst ein Problem mit der Performance der von ihm in einer Lagerbaugruppe eingesetzten Wellenfedern. Es handelte sich dabei um gestanzte Federn, die eine Doppelfunktion innehatten: Sie sind sowohl für den mechanischen Toleranzausgleich der Lagerkomponenten zuständig als auch für den thermischen Ausgleich der betriebsbedingten Wärmeausdehnung im Lager.

Allerdings tauchten dabei immer wieder Schwierigkeiten bei der Auslegung der richtigen Federkonstanten (Federraten) auf: Beim Einbau gestanzter Wellenfedern mit nur einer Windung musste die Federkonstante für die in der oberen Arbeitshöhe bereitzustellende Last sehr hoch ausgelegt werden. Zwangsweise fiel daher die Last in der unteren Arbeitshöhe (Betriebshöhe) übermäßig groß aus. Diese überhöhte Last führte stets zu einem vorzeitigen Ausfall des Lagers – und damit auch des Motors.

Gewalzter Flachdraht statt Stanzteil

Mit dieser Problemstellung klopften die Entwicklungsingenieure des Elektromotorenbauers bei den Wellenfeder-Experten von TFC in Bochum an. Denn zu deren Produktsortiment gehören bereits seit vielen Jahren die Wellenfedern der Crest-to-Crest-Serie (CTC) des US-amerikanischen Herstellers Smalley, der weltweit als Multi-Tier-Zulieferer auftritt. Diese Federn liegen in vielen Größen sowohl in metrischen wie auch Inch-Maßen vor und sind keine Stanzteile, sondern bestehen durchgehend aus gewalztem Flachdraht. Gerade im Automobilbau decken sie aktuell eine enorme Bandbreite an Anwendungen ab und erfreuen sich bei den Konstrukteuren der Branche großer Beliebtheit. Das liegt nicht nur an der hohen Lebensdauer der Smalley-Federn, die aus Federstahl, Edelstahl oder Sonderlegierungen bestehen, sondern vor allem an ihren konstruktiven Vorteilen.

Smalley-Federn brauchen bis zu 50 % weniger Bauraum als Runddrahtfedern

Da die CTC-Federn nämlich bei gleichem Federweg und gleicher Belastbarkeit bis zu 50 % weniger axialen Bauraum als konventionelle Runddrahtfedern beanspruchen, machen sie den Weg frei für konstruktive Vereinfachungen und die Reduzierung von Bauräumen. Damit bieten sie den Automotive-Konstrukteuren viel Optimierungspotenzial in verschiedenen Stoßrichtungen.

Die Entwicklungsingenieure des renommierten Elektromotoren-Herstellers trafen bei TFC in Bochum auf kompetente Gesprächspartner und fanden im Crest-to-Crest-Sortiment des Unternehmens die passende Wellenfelder-Lösung. „Mit dem Ziel, grundlegend geringere Federkonstanten zu erzielen, empfahlen wir den Einsatz von Flachdraht-Wellenfedern mit mehreren Windungen“, berichtet Johannes Lambertz, der Local Manager von TFC Bochum. „Da hierbei die Federkonstante proportional zur Anzahl der verwendeten Windungen reduziert wurde, lies sich die ganze Feder so konstruieren, dass der Unterschied zwischen den Belastungen der oberen und unteren Arbeitshöhe jetzt nur noch minimal ausfällt.“ Durch die Verwendung der neuen CTC-Wellenfeder wurde der mechanisch-thermische Toleranzausgleich im Lager also insgesamt deutlich „harmonisiert“.

Der Elektromotoren-Hersteller profitiert von dieser Verbesserung in mehrfacher Hinsicht. Da TFC die Crest-to-Crest-Wellenfedern in sehr kleinen Varianten mit bis nur 4,0 mm Durchmesser anbietet, können die Konstrukteure die Motoren erheblich kleiner bauen. „Dabei liefert die Wellenfeder die erforderliche Last bei niedrigster Federrate“, sagt TFC-Manager Lambertz. „Sowohl die mechanischen Toleranzen als auch die Wärmedehnungen können innerhalb kleiner Lastunterschiede ausgeglichen werden.“ Die eingebauten Wellenfedern von TFC leisten auf diese Weise einen spürbaren Beitrag zu einem ruhigen Lauf der Elektromotoren und erhöhen zudem deren Lebensdauer.

Über die hohe Kante gewunden

Gefertigt werden die Flachdraht-Wellenfedern von Smalley in einem Verfahren namens No-Tooling-Cost oder auch Circulair-Grain. Bei dieser speziellen Kantenwindungstechnik wird ein vorgehärteter, gewalzter Flachdraht über eine hohe Kante gewunden, um einen nahezu idealen Kreis zu erhalten.

Da Smalley diese Methode kontinuierlich weiterentwickelt, lassen sich damit inzwischen auch Federn mit sehr, sehr kleinen Durchmessern fertigen. Als Standardteile mit winzigen Durchmessern von nur 5,0 mm und als Sonderlösung sogar mit nur 4,0 mm Durchmesser. Das bringt Vorteile für alle Automotive-Konstrukteure, die besonders kompakte Baugruppen mit Vorspannungs-, Rückstellungs- oder eben Ausgleichsfunktionen realisieren müssen.



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