Stoffschlüssige Gelenke mit gekreuzten Blattfedern sind Ende der 1940-iger Jahre von Prof. W.H. Wittrick erstmals entwickelt, wissenschaftlich untersucht und beschrieben worden. Anfang der 60er Jahre entwickelte die Bendix Corporation USA dann das Kreuzfedergelenk als kompaktes und universell einsetzbares Lagerelement in Zylinderform. Dieses standardisierte Festkörpergelenk ist seitdem in zwei Baureihen, in zehn verschiedenen Größen und jeweils drei Federstärken erhältlich. Kreuzfedergelenke arbeiten reibungsfrei, benötigen deshalb keine Schmierung und nutzen sich nicht ab. Sie haben kein Lagerspiel, erzeugen keine Geräusche, haben eine hohe Lebensdauer und im Allgemeinen eine außer­gewöhnlich gute Langzeitkonstanz.

 

Die Stärken zusammengefasst:

 

  •  reibungsfrei
  •  schmierungsfrei
  •  spielfrei
  •  wartungsfrei
  •  selbst zentrierend
  •  hohe Wiederholgenauigkeit
  •  kleine Hysterese
  •  für Vakuumanwendungen geeignet
  •  unbegrenzte Lebenserwartung bei entsprechender Dimensionierung
  •  leichter Einbau
  •  in den Standardgrößen ab Lager verfügbar

 

Ein Kreuzfedergelenk besteht zunächst aus zwei Halbschalen die über zwei gekreuzte Blattfedern miteinander verbunden sind, so dass in der Geometrie ein geschlitzter Zylinder entsteht. In den Standard Baureihen unterscheidet man zwei Bauformen. Das zweiteilige (Cantilever) und das dreiteilige (Double Ended) Gelenk. Beim zweiteiligen Gelenk (Cantilever) wird jeweils eine der Halbschalen mit einer Hülse fest verbunden. Durch die Elastizität der Blattfedern können nun die beiden Hülsen gegeneinander radial verdreht werden. Beim dreiteiligen Gelenk (Double Ended) wird eine der Hülsen noch einmal geteilt, und so auf der einen Halbschale positioniert dass die ungeteilte Hülse in  der Mitte liegt. Diese Bauform ist stabiler, benötigt jedoch zwei außen liegende Lagerböcke. Das Mittelteil kann sich gegen die außen liegenden schmalen Hülsen im Bereich des jeweiligen Drehwinkels frei bewegen. Wie schon erwähnt ist das Kreuzfedergelenk ein zylindrisches Lager für Drehbewegungen mit begrenztem Drehwinkel. Die Steifigkeit gegenüber Kräften, die in radialer und axialer Richtung angreifen, ist relativ hoch. Die Torsionssteifigkeit der 10 verschiedenen Baugrößen kann jeweils in drei Federstärken (10/20/30) entsprechend den Drehwinkeln ±15°, ± 7,5° und ± 3,7° gewählt werden. Einzelheiten über die lieferbaren Baureihen sind der entsprechenden Übersicht zu entnehmen.

Immer wieder gibt es Irritationen betreffend des Drehwinkels. Ist in der Vergangenheit der Nenndrehwinkel mit 30°, 15° und 7,5° angegeben worden, so wird er heute mit 15°, 7,5° und 3,7° angegeben. An der Geometrie und den Federn hat sich nichts geändert, nur an der Definition. Ging man in der Vergangenheit vom maximal möglichen Drehwinkel aus, spricht man heute eher von dem Winkel der eine unendliche Lebensdauer erwarten lässt.

FEDERSTÄRKE Nenn-Drehwinkel MAXIMALER DREHWINKEL 
SERIE 10  +/-15° +/-30°
SERIE 20  +/-7.5° +/-15°
SERIE 30  +/-3.7° +/-7.5°

Umgebungsbedingungen

 

Normalerweise ist die Belastbarkeit, Federkonstante und Lebensdauer der Kreuzfedergelenke unabhängig von den Umgebungsbedingungen. Auch Schmutz und Staub haben - in vernünftigem Rahmen - keinen Einfluss auf das Gelenk, es sei denn, es handelt sich um chemisch aggressive Stoffe. Größere Staubmengen können sich natürlich im Gelenk festsetzen und seine Bewegungen behindern. Extreme Temperaturen (Hitze und/oder Kälte) können die Lebensdauer beeinträchtigen, vor allem, wenn Hitze und Feuchtigkeit zusammen Korrosionsschäden verursachen. In solchen Anwendungsfällen müssen Gelenke aus Sondermaterial oder mit besonderem Oberflächenschutz gewählt werden.

Der Dauerbetrieb von Kreuzfedergelenken der Standard-Baureihe ist konservativ gerechnet im Bereich von -55°C bis +200°C möglich. Das periodische Abkühlen und Erhitzen in diesem Bereich hat keine negativen Auswirkung auf die Funktion.

Belastbarkeit

Die Belastbarkeit durch statische Kräfte hängt ab von der Richtung des Kraftvektors in Bezug auf die Blattfedern. Bild 2 zeigt die Arten von Kräften, die am Kreuzfedergelenk angreifen können. Im Fall Lc wirkt die Last über die vordere Hülse (bzw. über die mittlere Hülse beim dreiteiligen Gelenk) mit der fest eingesetzten Halbschale so auf die Federn, dass sie auf Druck belastet werden, da sich die untere Halbschale fest im hinteren bzw. in den beiden äußeren Lagerteilen abstützt. Im Fall Lt sind die Federn auf Zug belastet.

 

Man beschränkt sich gewöhnlich auf die Angabe der Belastbarkeit in den Richtungen von Pa, Lc und Lt, da sich alle anderen Kraftvektoren auf diese drei Richtungen umrechnen lassen.

Bild der am Kreuzfedergelenk angreifenden Kräfte
Lc Vertikale Kraft, beansprucht alle Federn auf Druck (Drucklast).
Pc Kraft beansprucht nur eine Feder auf Druck (bzw. das Paar in derselben Ebene beim dreiteiligen Gelenk). Hierzu liefern wir keine Werte.
H Horizontale Kraft, beansprucht eine Feder (bzw. Federpaar) auf Druck, die andere auf Zug. Hierzu liefern wir keine Werte.
Pa Axiale Kraft, beansprucht alle Federn auf Scherung. Hierzu Liefern wir die Daten der Biegung in µm / N Last in der Tabelle "Größen und Maße" ( Axiale Steifigkeit). 
Lt Vertikale Kraft, beansprucht alle Federn auf Zug (Zuglast). Siehe Tabelle Größen und Maße.
Pt Kraft beansprucht nur eine Feder auf Zug (bzw. das Paar in derselben Ebene beim dreiteiligen Gelenk). Hierzu liefern wir keine Werte.
MT Drehmoment, das die Achse des Gelenks zu biegen versucht (Biegemomente aufgrund der oben genannten Transversalkräfte sind hier nicht berücksichtigt). Hierzu Liefern wir die Daten der Biegung in µm / N Last in der Tabelle "Größen und Maße" ( Radiale Steifigkeit). 
MK Drehmoment, das die Lagerhülsen gegeneinander verdreht und die Federn auf Biegung beansprucht. Ist durch die Federkonstante in unseren Tabellen beschrieben

Drehwinkel

Der Drehwinkel wird von der Null-Lage des Gelenks aus gemessen. Die Verdrehung kann zweiseitig oder einseitig zum Nullpunkt liegen. Der Drehwinkel beeinflusst unmittelbar die Materialbeanspruchung in den Blattfedern.

Lebensdauer

 

Bei jedem Lager oder elastischen Gelenk ist die zu erwartende Lebensdauer gewöhnlich die wichtigste Eigenschaft. Sie ist bestimmt durch die Materialbeanspruchung in den Blattfedern infolge der Belastung und des Drehwinkels. Bei serienmäßigen Kreuzfedergelenken kann mindestens eine Lebensdauer von 30 Millionen Lastwechseln oder Schwingungen erwartet werden, wenn die Zug-/Druckspannung in den Federn 413,7 N/mm2 (=413,7MPa = 60 000 PSI) nicht überschreitet. Bild 3 zeigt den typischen Zusammenhang zwischen Belastung, Drehwinkel und Lebensdauer. Der E-Modul des Federmaterials bei Raumtemperatur beträgt 199,94*103 N/mm2 (=199,94 GPa = 29 *106 PSI).

Besondere Eigenschaften

 

Die folgenden Eigenschaften sind je nach Anwendungsfall von unterschiedlicher Bedeutung. Sie wirken sich auch weniger auf das Kreuzfedergelenk selbst, als vielmehr auf das Gerät aus, in das das Gelenk eingebaut ist.

Federkonstante

 

Das Rückstellmoment der Blattfedern, geteilt durch den Drehwinkel, bezeichnet man als (Torsions-) Federkonstante. Man kann sie statisch oder dynamisch messen. Sie beeinflusst die Resonanzfrequenz, mit der eine am freien Ende des Kreuzfedergelenkes befestigte Masse schwingt.

Die Federkonstante ist abhängig von der Größe und Richtung der auf das Gelenk wirkenden Kräfte. Die Federkonstante steigt mit zunehmender Vertikalbelastung an, sofern dabei die Federn auf Druck beansprucht werden. Dies entspricht bei der Einbaulage gemäß Bild 2 einer von oben nach unten wirkenden Kraft Lc. Die Federkonstante fällt dagegen mit zunehmender Vertikalbelastung, wenn die Federn auf Zug beansprucht werden (Kraftrichtung Lt in Bild 2). Diese Erscheinung lässt sich manchmal nutzen, um eine besonders niedrige Eigenresonanz zu erreichen. Man baut dann das Gelenk so ein, dass die Radialkräfte die Federn in Zugrichtung beanspruchen, so dass dadurch die Federkonstante sinkt.

Bitte beachten Sie: Lt sollte die bevorzugte Einbaulage sein

 

Bild 4: Federkonstante als Funktion der RadialbelastungFederkonstante als Funktion der RadialbelastungÜberschreitet die Vertikalbelastung in Richtung Lc eine gewisse Grenze, so fällt die Federkonstante schnell und wird sogar negativ. Die Verwendung der Kreuzfedergelenke in diesem Lastbereich ist nicht zu empfehlen, da sich dabei die Blattfedern verbiegen können. Eine horizontale Belastung (Richtung H in Bild 2) verändert ebenfalls die Federkonstante, und zwar in der Art, dass sich die Kurven in Bild 4 nach links unten verschieben.

Generell ist festzuhalten, daß große KFG eine höhere Federkonstante als Kleine haben.

Die Gelenke mit der Bezeichnung 10 sind jeweils mit den dünnsten Federn bestückt und haben somit die kleinste Federkonstante einer Baugröße. Die Gelenke mit der Bezeichnung 20 haben jeweils eine mittlere Feder und somit eine höhere Federkonstante und die Gelenke mit der Bezeichnung 30 sind mit den stärksten Federn ausgestattet und haben jeweils die höchste Federkonstante einer Baugröße.

Die Federkonstante bleibt über die gesamte Kreisbewegung nahezu konstant. Die Hülsenkonfiguration hat keine Auswirkung auf die Federkonstante.

Zwei- und dreiteilige KFG derselben Größe und Federstärke haben dieselbe Federkonstante.

Typischer Weise wird die Federkonstante mit einer 10%-igen Toleranz angegeben. Enger tolerierte KFG sind auf Anfrage verfügbar.

 

 

Linearität

 

Die Linearität ist bedingt durch die Geometrie des Kreuzfedergelenks. Ein absolut lineares Gelenk müsste einen völlig linearen Anstieg des Drehmoments über dem Drehwinkel zeigen (Bild 5). In der Praxis zeigt sich ein nichtlineares Verhalten erst bei Drehwinkeln größer dem Nenn-Drehwinkel.

Die Linearität des Kreuzfedergelenks in Abhängigkeit von Drehmoment und DrehwinkelBild 5 Linearität

Mittelpunktversatz

 

Als Mittelpunktversatz bezeichnet man eine räumliche Verlagerung der momentanen Drehachse. Die Größe des Versatzes ist abhängig von der Geometrie des Gelenks selbst und von der Einwirkung äußerer Radialkräfte (Bild 6).

Der Versatz ist sehr klein, so dass er meist vernachlässigt werden kann. Genauere Angaben über den Versatz infolge Verdrehung (d.h. ohne Radialbelastung) sind Bild 7 zu entnehmen.

Mittelpunkversatz als Funktion des Drehwinkels ohne RadialbelastungBild 7: Mittelpunkversatz als Funktion des Drehwinkels ( ohne Radialbelastung )Animiertes Kreuzfedergelenk zur Veranschaulichung des Mittelpunktversatzes

 

 

 

Hysterese

 

Unter Hysterese versteht man die Nullpunktverschiebung infolge der elastischen Nachwirkung des Federmaterials nach positiver oder negativer Verdrehung des Gelenks. Die Differenz zwischen der Nullstellung nach vorheriger positiver und der Stellung nach negativer Verdrehung ist der Hysteresewinkel (Bild 8).

Bild 8 HystereseNullpunktverschiebung bei Kreuzfeder infolge der elastischen Nachwirkung des Federmaterials nach positiver oder negativer Verdrehung des Gelenks

 

 

Die Hysterese ist sehr klein. Sie liegt in der Größenordnung von wenigen Promille der vorherigen Verdrehung. Typische Messwerte zeigen die folgenden Bilder 9 bis 11.

Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit +-3,7° Nenn-Drehwinkel (max 7,5°)Bild 9 Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit ±3,7° Nenn-Drehwinkel (max 7,5°)Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit +-15° Nenn-Drehwinkel (max 30°)Bild 11 Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit ±15° Nenn-Drehwinkel (max 30°)Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit +-7,5° Nenn-Drehwinkel (max 15°)Bild 10 Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit ±7,5° Nenn-Drehwinkel (max 15°)

Einbaurichtlinien

Je nach Einbaulage der Kreuzfedergelenke (siehe Abb.) werden die Federn verschiedenartig beansprucht. Bei Vc wirkt die Last über die vordere bzw. mittlere Hülse mit der fest eingesetzten Halbschale auf die Federn, die auf Druck belastet werden, da die untere Halbschale sich fest im hinteren bzw. den beiden äußeren Lagerteilen abstützt. Bei Vt ergibt sich eine Zugbelastung.

 

 

Nachfolgend sollen einige konstruktive Lösungen für den Einbau von Kreuzfedergelenken der Normalausführung gezeigt werden.

Für die meisten Anwendungsfälle wird der Einbau entsprechend der Belastungsart Vt empfohlen, d.h. das Gelenk sollte möglichst auf Zug belastet werden.

1. Montage mit Klemmschraube

Der Bohrungsdurchmesser soll etwa 0,013 bis 0,038mm größer sein als der Außendurchmesser des Kreuzfedergelenks. Beim Auftreten von Vibrationen wird empfohlen, eine der üblichen Schrauben-Sicherungsmethoden anzuwenden. Die Spannung kann verringert werden, wenn gegenüber der Klemmschraube ein Schlitz mit Bohrung, wie die strichpunktierte Linie andeutet, vorgesehen wird.

Montage des Kreuzfedergelenks mittels Klemmschraube

2. Festklemmen durch Vorspannung

Diese Anordnung kann bei kleinen Drehmomenten gewählt werden. Die Spannkraft muss hoch genug sein, um eine Verdrehung innerhalb der Bohrung zu vermeiden. Um das Einführen des Gelenks in die Bohrung zu erleichtern, muss am Schlitz gespreizt werden. Dabei ist Vorsicht geboten, damit die Elastizitätsgrenze nicht überschritten wird.

Montage des Kreuzfedergelenks mittels Vorspannung

3. Montage mit Gewindestift

Der Bohrungsdurchmesser ist etwa 0,013 bis 0,038mm größer zu wählen als der Außendurchmesser des Kreuzfedergelenks. Bei dieser Anordnung erfolgt die Fixierung mit einem Gewindestift. Um eine Deformierung des Kreuzfedergelenks zu vermeiden, wird empfohlen, den Gewindestift mit flacher Kuppe vorsichtig anzuziehen. Beim Auftreten von Vibrationen ist die Verschraubung zu sichern.

Montage des Kreuzfedergelenks mittels Gewindestift

 

4. Montage mit Passstift in radialer Anordnung

Der Bohrungsdurchmesser soll etwa 0,013 bis 0,038mm größer sein als der Außendurchmesser des Kreuzfedergelenks. Bohren und ausreiben nach dem Zusammenbau. Bei der Bearbeitung dürfen die Federn keinesfalls berührt werden.

5. Montage mit Passstift in Quer- und Axialrichtung

Der Bohrungsdurchmesser soll etwa 0,013 bis 0,038mm größer sein als der Außendurchmesser des Kreuzfedergelenks. Nach dem Einpressen mit einer Führungsbuchse verbohren und anschließend verstiften. Zweckmäßige Lage der Bohrung in der dicken Gelenkwandung unter 45° zu den

Federn. Durchbrechen der Gelenkinnenwand beim Bohren soll vermieden werden. Sacklochtiefe S nicht größer als 75% der Länge A.

6. Montage mittels Presspassung

Zum Fixieren kommen Press- oder Haftstifte zur Anwendung. Durch Eintauchen des Gelenks in "Trockeneis" kann ohne Beschädigung eine Schrumpfung hervorgerufen werden. Das zugehörige Lagerteil kann erwärmt werden, um die Bohrung zu erweitern. Dabei sollten jedoch die  Kreuzfedergelenke niemals einer Temperatur über 480°C ausgesetzt werden. Um Beschädigungen bei der Montage zu vermeiden, ist ein Spezialwerkzeug, wie dargestellt, erforderlich.

Montage über eine Schrumpfpassung

7. Montage durch Kleben

Als Kleber kann z.B. Loctite oder ein anderes Schraubensicherungs-Präparat verwendet werden.

Montage durch Kleben

8. Fixierungsebene in Verbindung mit Fixierschraube

Montage über Fixierungsebene in Verbindung mit Fixierschrauben

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Bild der am Kreuzfedergelenk angreifenden Kräfte

Federkonstante als Funktion der Radialbelastung

Die Linearität des Kreuzfedergelenks in Abhängigkeit von Drehmoment und Drehwinkel

Mittelpunkversatz als Funktion des Drehwinkels ohne RadialbelastungAnimiertes Kreuzfedergelenk zur Veranschaulichung des Mittelpunktversatzes

Nullpunktverschiebung bei Kreuzfeder infolge der elastischen Nachwirkung des Federmaterials nach positiver oder negativer Verdrehung des Gelenks

Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit +-3,7° Nenn-Drehwinkel (max 7,5°)Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit +-15° Nenn-Drehwinkel (max 30°)Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit +-7,5° Nenn-Drehwinkel (max 15°)

Montage des Kreuzfedergelenks mittels Klemmschraube

Montage des Kreuzfedergelenks mittels Vorspannung

Montage des Kreuzfedergelenks mittels Gewindestift

Montage über eine Schrumpfpassung

Montage durch Kleben

Montage über Fixierungsebene in Verbindung mit Fixierschrauben

Bild der am Kreuzfedergelenk angreifenden Kräfte

Die Linearität des Kreuzfedergelenks in Abhängigkeit von Drehmoment und Drehwinkel

Mittelpunkversatz als Funktion des Drehwinkels ohne RadialbelastungAnimiertes Kreuzfedergelenk zur Veranschaulichung des Mittelpunktversatzes

Nullpunktverschiebung bei Kreuzfeder infolge der elastischen Nachwirkung des Federmaterials nach positiver oder negativer Verdrehung des Gelenks

Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit +-3,7° Nenn-Drehwinkel (max 7,5°)Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit +-15° Nenn-Drehwinkel (max 30°)Hysteresekurven für Kreuzfedergelenke mit +-7,5° Nenn-Drehwinkel (max 15°)

Montage des Kreuzfedergelenks mittels Klemmschraube

Montage des Kreuzfedergelenks mittels Vorspannung

Montage des Kreuzfedergelenks mittels Gewindestift

Montage über eine Schrumpfpassung

Montage durch Kleben

Montage über Fixierungsebene in Verbindung mit Fixierschrauben

Bild der am Kreuzfedergelenk angreifenden Kräfte

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