Federsteifigkeit

Federsteifigkeit bezeichnet die Widerstandsfähigkeit eines elastischen Elements gegen Deformation. In der Mechanik wird sie durch das Verhältnis der rücktreibenden Kraft F zur Verschiebung x beschrieben, wobei F = -k x für lineare Federn gilt. Der Parameter k wird in Newton pro Meter (N/m) angegeben und wird auch als Federkonstante bezeichnet. Bei nichtlinearen Federn hängt die Steifigkeit von der Auslenkung ab, und k wird oft als Ableitung k(x) = dF/dx definiert.

Für lineare, ideale Federn kann k aus Geometrie und Materialeigenschaften abgeleitet werden. Zum Beispiel gilt bei einer starren Stange unter axialer Druck- oder Zugbelastung k = EA/L, wobei E der Young’sche Modul, A die Querschnittsfläche und L die Länge ist. Bei einer idealisierten zylindrischen Spiraffenfeder (Federkonus) hängt k von Drahtdurchmesser d, Winddurchmesser D, der Anzahl aktiver Windungen N sowie E und dem Schubmodul G ab; eine gängige Näherung lautet k ≈ (d^4 E) / (8 D^3 N) unter bestimmten Randbedingungen.

Die Federsteifigkeit kann sich durch Temperatur, Vorlast, Materialalterung, Ermüdung und Belastungsgeschichte verändern. Temperaturänderungen beeinflussen E und damit k; Preload oder Vorspannung verschiebt die Ursprungsauslenkung, ohne k grundsätzlich zu verändern (k kann jedoch in einigen Bauformen temperaturabhängig sein). Bauteil- oder Montagefehler können lokale Steifigkeitsveränderungen verursachen.

Anwendungen befinden sich in Fahrzeugaufhängungen, Vibrations- und Geräuschdämmung, Maschinenbau, Möbeln und Sensorik. Die Bestimmung der Federsteifigkeit ist zentral für die Berechnung von Schwingungen, Stabilität und Tragfähigkeit von Baugruppen.

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