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Federspannkraft berechnen

Hier können Sie die Federspannkraft berechnen lassen. Geben Sie dazu unten einfach nur die Federkonstante sowie die Längenänderungen der Feder in Metern an.

Federkonstante [N/m]  
Längenänderung der Feder [m]  



Häufig gestellte Fragen

Beispielrechnung zur Federspannkraft

Eine Feder von 50cm Länge (Ruhezustand) wird innerhalb ihres elastischen Bereichs um 0,1 Meter gedehnt. Die Federkonstante wurde vom Hersteller mit 100 N/m angegeben. Welche Kraft ist für die geforderte Dehnung aufzuwenden?

F    = D * s
    = 100 N/m * 0,1 m
    = 10 N

Die gleiche Feder soll anschließend aus der Ruhelage heraus um 5 cm gestaucht werden. Welche Kraft ist dafür erforderlich?

F    = D * s
    = 100 N/m * (-0,5 m)
    = -5 N

Das negative Vorzeichen in der zweiten Formel ist lediglich als eine Umkehrung des Kraftvektors (der Wirkungsrichtung) zu verstehen – nicht als negative Kraft im eigentlichen Sinne.

 

Was versteht man unter der Federspannkraft?

Die Federspannkraft beschreibt die Kraft, die aufzubringen ist, um eine Feder auf eine bestimmte Länge zu dehnen. Relevant ist dabei selbstverständlich nicht die Gesamtlänge der Feder nach Dehnung, sondern nur die Längenzunahme (also nach Abzug der Länge im Ruhezustand). Der Einfachheit halber gehen alle nachfolgenden Betrachtungen von einer klassischen Schraubenfeder aus.

Es ist gut vorstellbar, dass die benötigte Kraft von zwei Faktoren abhängt:

Je weiter die Feder auseinandergezogen wird, umso mehr Kraft muss aufgewendet werden. Gleiches gilt übrigens auch für Federn, die aus ihrer Ruhelage heraus durch Krafteinwirkung verkürzt, also gestaucht werden sollen (Beispiel: Schraubenfeder als Stoßdämpfer)

Die zweite Einflussgröße wird durch die konstruktiven Gegebenheiten der Feder gebildet. Diese Faktoren (Material, Geometrie und Steifigkeit) werden durch die sogenannte Federkonstante beschrieben. Wichtig zu wissen ist, dass diese Federkonstante nur solange eine Konstante bleibt, bis die Feder an ihre Elastizitätsgrenze gebracht wird. Bei Überschreiten der Elastizitätsgrenze wird die Feder plastisch verformt und geht nicht mehr vollständig in ihre Ruhelage zurück. Es verändern sich dabei dauerhaft die Eigenschaften der Feder.

 

Wie wird die Federspannkraft berechnet?

Aus dem oben Gesagten lässt sich ein proportionaler Zusammenhang zwischen den beiden Größen (Dehnung s und Federkonstante D) ableiten:

F    = D * s

Diese Proportionalität zwischen Kraft F und Dehnung s wird auch Hookesches Gesetz genannt.

Die Federspannkraft F wird wie alle anderen physikalischen Kräfte in Newton (N) angegeben. Für die Federkonstante gilt die Einheit Newton pro Meter (N/m), so dass sich für die Dehnung s eine Angabe in Meter (m) anbietet.
 

 

Wo findet die Berechnung der Federspannkraft ihr Einsatzgebiet?

Federn werden in der Praxis eingesetzt, um Schwingungen zu dämpfen oder Kräfte zu speichern. Während der erste Fall - das Dämpfen von Schwingungen – durch die Anwendung in PKW-Stoßdämpfern bekannt sein dürfte, soll der zweite Fall - Kraftspeicher - an einem Beispiel aus der Elektrotechnik verdeutlicht werden:

Seit einigen Jahrzehnten werden zum Schutz von Personen vor elektrischen Stromschlägen sogenannte Fehlerstrom-Schutzschalter (kurz: FI-Schalter) eingesetzt. Berührt nun eine Person einen stromführenden Leiter und „entnimmt“ damit elektrische Energie aus einem geschlossenen Stromkreis, so unterbrechen diese Schalter den Stromkreis, bevor es zu ernsthaften gesundheitlichen Schäden kommen kann.

Die elektrische Sensorik hier außer acht lassend, ist aber dennoch klar, dass dieses Abschalten in Bruchteilen einer Sekunde erfolgen muss. Diese Funktionalität wird durch eine Feder realisiert, die bereits die im Sensor elektrisch generierte sehr geringe Kraft mit der in der Feder gespeicherten Energie verstärkt und so eine schnelle Trennung der Kontakte herbeiführt.

Die Öffnungsgeschwindigkeit der Kontakte hängt dabei von der Kraft ab, die die Feder auf die Kontaktbleche ausübt. Die korrekte Berechnung der erforderlichen Federkraft ist in diesem Falle entscheidend für Leben oder Tod.

 



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