Tellerfedern prüfen nach DIN EN 16983
Die DIN EN 16983 beschreibt Qualitätsanforderungen und Maße für Tellerfedern. Für die praktische Prüfung sind insbesondere die Federkraft an definierten Prüfhöhen, der zugehörige Federweg und die daraus resultierende Kraft-Weg-Kennlinie relevant. Damit diese Größen zuverlässig und reproduzierbar ermittelt werden können, müssen Prüfmaschine, Kraftmesssystem, Wegmessung und Prüfwerkzeuge auf die jeweilige Tellerfeder, den vorgesehenen Kraftbereich und den erwarteten Federweg abgestimmt sein.
Das Wichtigste in Kürze zur DIN EN 16983
- Die DIN EN 16983 behandelt Qualitätsanforderungen und Maße von Tellerfedern und hat die frühere DIN 2093 mit unverändertem technischen Inhalt abgelöst.
- Zu den zentralen Prüfgrößen zählen Federkraft, Federweg und die daraus abgeleitete Kraft-Weg-Kennlinie.
- Federkräfte müssen immer einer eindeutig definierten Prüfhöhe beziehungsweise Verformung zugeordnet werden; in der Norm bezieht sich der ausgewiesene Kraftwert auf die Prüfhöhe lP = l0 − 0,75·h0.
- Für reproduzierbare Ergebnisse sind eine präzise Kraftmessung, eine hochauflösende Wegmessung, planparallele Druckflächen und geeignete Prüfwerkzeuge erforderlich.
- Universalprüfmaschinen lassen sich mit passenden Druckplatten, Kraftaufnehmern und Messsystemen für die Prüfung von einzelnen Tellerfedern, Federpaketen und Federsäulen konfigurieren.
- Der konkrete Prüfablauf richtet sich nach der jeweiligen Tellerfeder, den festgelegten Sollwerten und den Anforderungen aus Zeichnung, Prüfanweisung oder Lieferspezifikation.
Was regelt die DIN EN 16983?
Die DIN EN 16983 legt Qualitätsanforderungen und Maße für Tellerfedern fest. Dazu gehören Anforderungen an Werkstoffe und Herstellungsprozesse, Maß- und Formtoleranzen, Federkrafttoleranzen sowie Vorgaben zur zulässigen Relaxation und zur Lebensdauer in Abhängigkeit von der Beanspruchung. Zusätzlich unterscheidet die Norm drei Maßreihen (A, B und C) mit unterschiedlichen Verhältnissen von Außendurchmesser zu Federdicke sowie drei Fertigungsgruppen, die sich vor allem an der Federdicke orientieren. Ziel ist es, die Funktionsfähigkeit von Tellerfedern durch einheitliche technische Anforderungen sicherzustellen. Für die praktische Qualitätsprüfung sind vor allem die geometrischen Eigenschaften und die Federkräfte an definierten Prüfhöhen relevant. Je nach Prüfaufgabe sind zusätzlich weitere Normen, Zeichnungsvorgaben und kundenspezifische Spezifikationen zu berücksichtigen.
Anwendungsbereich der Norm
Die DIN EN 16983 bezieht sich auf Tellerfedern, also kegelförmig ausgeführte, ringförmige Federelemente, die in axialer Richtung belastet werden. Sie ist sowohl für die Prüfung einzelner Tellerfedern als auch für die Beurteilung von Federn relevant, die später in Paketen oder Federsäulen eingesetzt werden. Typische Prüfaufgaben sind die Kontrolle der Abmessungen sowie die Ermittlung der Federkraft an festgelegten Höhen beziehungsweise Federwegen.
Zylindrische Schraubendruckfedern fallen dagegen nicht unter den Anwendungsbereich der DIN EN 16983. Obwohl beide Federarten durch Druck belastet werden können, unterscheiden sie sich deutlich hinsichtlich Geometrie, Kennlinie und Prüfaufbau. Die vorliegende Prüfanwendung konzentriert sich daher ausschließlich auf Tellerfedern.
DIN EN 16983 und frühere DIN 2093
Die DIN EN 16983:2017-09 überführt die frühere DIN 2093:2013-12 mit identischem technischen Inhalt in eine Europäische Norm. Entsprechend finden sich in älteren Zeichnungen, Bestandsunterlagen und Lieferspezifikationen weiterhin häufig Verweise auf die DIN 2093. Für aktuelle Dokumentationen und neue Spezifikationen ist die Bezeichnung DIN EN 16983 maßgeblich.
Bei bestehenden Prüfaufträgen sollte deshalb geprüft werden, auf welche Ausgabe der Norm sich die jeweilige Zeichnung oder Prüfanweisung bezieht. Dadurch lassen sich Missverständnisse bei der Auswahl von Maßen, Toleranzen und Prüfbedingungen vermeiden.
Welche Eigenschaften werden an Tellerfedern geprüft?
Bei der Wareneingangsprüfung, Produktionskontrolle und Qualitätssicherung werden sowohl geometrische Merkmale als auch das mechanische Verhalten von Tellerfedern kontrolliert. Im Mittelpunkt stehen die Federkraft an festgelegten Prüfhöhen, der Federweg und die daraus entstehende Federkennlinie. Ergänzend können Maße, Härte und weitere Qualitätsmerkmale geprüft werden. Konkrete Grenzwerte und Toleranzen sind anhand der jeweils gültigen Normausgabe und der zugehörigen Zeichnung festzulegen.
Federkraft bei definierter Prüfhöhe
Die Federkraft ist nur in Verbindung mit einer eindeutig definierten Prüfhöhe oder Verformung aussagekräftig. Federkraft und zugehörige Prüfhöhe bilden deshalb immer ein zusammengehöriges Wertepaar, in Zeichnungen und Datenblättern üblicherweise als F1 und l1 (beziehungsweise L1) angegeben. Ausgewiesene Federkräfte beziehen sich in der DIN EN 16983 auf einen Federweg von 75 Prozent der lichten Kegelhöhe, entsprechend der Prüfhöhe lP = l0 − 0,75·h0. Dabei bezeichnet l0 die freie Höhe der unbelasteten Tellerfeder und h0 die lichte Kegelhöhe.
Der Bezugspunkt hat einen praktischen Hintergrund: Ab einem Federweg von mehr als 0,75·h0 verläuft die Kennlinie zunehmend progressiv, weil sich die Kraftangriffspunkte an den Auflageflächen verschieben. Der zur Verfügung stehende Federweg wird in der Praxis deshalb üblicherweise nur bis etwa 75 bis 80 Prozent ausgenutzt. Bei der Prüfung wird kontrolliert, welche Kraft die Tellerfeder an der vorgegebenen Prüfhöhe erreicht und ob dieser Wert innerhalb der festgelegten Toleranzen liegt.
Federweg und Federkennlinie
Während der Belastung zeichnet die Prüfmaschine den Kraft-Weg-Verlauf auf. Dadurch lässt sich beurteilen, ob die Tellerfeder innerhalb des vorgesehenen Arbeitsbereichs die erwartete Kennlinie zeigt und ob festgelegte Sollwerte oder Toleranzbereiche eingehalten werden. Reibung zwischen Feder und Druckflächen führt in der Regel zu einer sichtbaren Hysterese zwischen Belastung und Entlastung. Sie wird durch geeignete Schmierung der Druckflächen minimiert, kann aber nicht vollständig eliminiert werden und ist bei der Bewertung der Kennlinie zu berücksichtigen.
Maße und geometrische Eigenschaften
Zu den typischen Maßprüfungen gehören Außendurchmesser, Innendurchmesser, Materialdicke, freie Höhe l0 und lichte Kegelhöhe h0. Diese Merkmale beeinflussen das Federverhalten unmittelbar und werden deshalb häufig zusätzlich zur Kraftprüfung kontrolliert. Insbesondere die Materialdicke wirkt sich stark auf die Federkraft aus, weil die Federkraft näherungsweise mit der dritten Potenz der Dicke ansteigt.
Härte und ergänzende Qualitätsmerkmale
Je nach Prüfanforderung kann auch die Härte der Tellerfeder geprüft werden. Als Werkstoffe kommen üblicherweise Federstähle wie Ck67 (Werkstoff-Nr. 1.1231) bis zu einer Federdicke von 1,25 mm sowie 50CrV4 (1.8159) ab 1,25 mm zum Einsatz. Die Härteprüfung erfolgt in der Regel nach Vickers, für Federn geringerer Dicke ist ein Härtebereich um 425 bis 510 HV10 üblich. Für die Härteprüfung sind separate Härteprüfgeräte und die einschlägigen Prüf- oder Werkstoffnormen erforderlich. Die Prüfung an der Universalprüfmaschine konzentriert sich dagegen auf Kraft, Weg und Federkennlinie.
Ablauf einer Tellerfederprüfung nach DIN EN 16983
Für reproduzierbare Ergebnisse müssen Tellerfeder, Prüfaufbau und Prüfparameter eindeutig festgelegt sein. Der Ablauf reicht von der korrekten Positionierung über das kontrollierte Vorsetzen und die eigentliche Kraftmessung bis zur dokumentierten Auswertung der Kraft- und Wegwerte.
Tellerfeder vorbereiten und positionieren
Die Tellerfeder wird zentrisch zwischen planparallelen Druckflächen eingelegt. Eine saubere Ausrichtung ist wichtig, um Verkippungen, Querkräfte und dadurch verfälschte Messwerte zu vermeiden. Üblicherweise werden die Druckflächen mit einem geeigneten Schmiermittel benetzt, um die Reibung zwischen Feder und Auflage zu reduzieren. Bei ungeschlitzten Tellerfedern ist darauf zu achten, dass die im Innenraum eingeschlossene Luft entweichen kann, weil sie sonst die Kennlinie verfälscht.
Ausgangshöhe und Prüfpositionen festlegen
Ausgangshöhe und Prüfpunkte werden aus Zeichnung, Lieferspezifikation oder Prüfanweisung übernommen. Der Bezugspunkt für die Federkraft nach DIN EN 16983 ist die Prüfhöhe lP = l0 − 0,75·h0. Zusätzliche Prüfpositionen etwa bei 0,25·h0 oder 0,5·h0 können sinnvoll sein, um den Kennlinienverlauf zu bewerten. Die Prüfsoftware ordnet den festgelegten Positionen die jeweiligen Sollwerte für Kraft oder Federweg zu.
Vorsetzen der Tellerfeder
Vor der eigentlichen Kraftmessung ist ein mehrfaches Vorsetzen der Feder üblich. Dabei wird die Tellerfeder mehrmals bis zur spezifizierten Setztiefe belastet, damit sich Eigenspannungen abbauen und stabile, reproduzierbare Kraftwerte ergeben. Anzahl der Vorsetzhübe und Setztiefe werden in der Prüfanweisung festgelegt. Wird auf das Vorsetzen verzichtet, weichen die Kraftwerte typischerweise systematisch von den späteren Betriebswerten ab.
Tellerfeder belasten und Kraft-Weg-Verlauf erfassen
Die Feder wird kontrolliert bis zu den festgelegten Prüfpositionen belastet, üblicherweise mit einer konstanten Prüfgeschwindigkeit. Dabei zeichnet das System fortlaufend Kraft und Verformung auf und erstellt die zugehörige Kraft-Weg-Kennlinie. Belastungs- und Entlastungsverlauf lassen sich getrennt erfassen und miteinander vergleichen.
Ergebnisse auswerten und dokumentieren
Die Prüfsoftware gibt Federkräfte, Prüfhöhen, Federwege und Abweichungen von hinterlegten Sollwerten aus. Ergänzend können Prüfkurven, Protokolle und Serienauswertungen erstellt werden. Die Ergebnisse dienen sowohl der Freigabeentscheidung im Wareneingang und in der Produktionskontrolle als auch der langfristigen Trendbeobachtung in der Qualitätssicherung.
Prüfung einzelner Tellerfedern, Federpakete und Federsäulen
Neben einzelnen Tellerfedern können auch Federpakete und Federsäulen geprüft werden. Die Anordnung mehrerer Tellerfedern verändert das Kraft-Weg-Verhalten deutlich. Bei gleichsinnig geschichteten Federn (Federpaket) addieren sich die Federkräfte näherungsweise, während der Federweg dem einer Einzelfeder entspricht. Bei wechselsinnig geschichteten Federn (Federsäule) addieren sich die Federwege näherungsweise, während die Federkraft dem Wert einer Einzelfeder entspricht. Durch kombinierte Schichtungen lassen sich gezielt maßgeschneiderte Kennlinien realisieren. Der Prüfplan muss deshalb eindeutig festlegen, ob eine Einzelfeder oder eine definierte Kombination geprüft wird. Anzahl, Ausrichtung und Anordnung der Tellerfedern sind dabei ebenso zu dokumentieren wie die vorgesehenen Prüfhöhen und Sollkräfte.
Anforderungen an eine Prüfmaschine für Tellerfedern
Eine Prüfmaschine für Tellerfedern muss auf den erwarteten Kraftbereich und die kurzen Verformungswege der Federn abgestimmt sein. Für zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse sind insbesondere folgende Merkmale wichtig:
- ein ausreichend steifer Prüfrahmen, damit die Verformung des Prüfaufbaus die Wegmessung nicht verfälscht,
- ein zum Kraftbereich passender Kraftaufnehmer, kalibriert nach DIN EN ISO 7500-1,
- eine präzise und hochauflösende Wegmessung,
- planparallele Druckplatten mit geeigneter Oberfläche,
- geeignete Prüfwerkzeuge und Führungen für einzelne Tellerfedern, Federpakete oder Federsäulen,
- eine Prüfsoftware zur Aufzeichnung und Auswertung der Kraft-Weg-Kennlinie mit Belastungs- und Entlastungsast.
Vor allem bei hohen Kräften und kleinen Federwegen kann bereits eine geringe Verformung des Prüfaufbaus das Messergebnis beeinflussen. Deshalb sollten Maschine, Messtechnik und Vorrichtung immer gemeinsam für die konkrete Prüfaufgabe ausgelegt werden.
GALDABINI Universalprüfmaschinen für die Tellerfederprüfung
Die Universalprüfmaschinen von GALDABINI lassen sich mit geeigneten Druckplatten, Kraftaufnehmern und Wegmesssystemen für die Prüfung von Tellerfedern konfigurieren. Für kleinere Prüfkräfte kommen die QUANTUM-Tischmaschinen von 5 bis 100 kN infrage, für höhere Kräfte die QUASAR-Standmaschinen von 200 bis 2000 kN. Damit können einzelne Tellerfedern ebenso geprüft werden wie Federpakete und Federsäulen. Die Prüfsoftware LABTEST erfasst den Kraft-Weg-Verlauf, wertet definierte Prüfhöhen und Federkräfte aus und unterstützt die dokumentierte Durchführung wiederkehrender Prüfabläufe.
SCHÜTZ+LICHT unterstützt bei der Auswahl der passenden Maschinenkapazität, der Messtechnik und der Prüfwerkzeuge für die jeweilige Anwendung. Sprechen Sie uns an, wenn Sie eine bestehende Prüfaufgabe automatisieren, einen Prüfplatz erneuern oder eine neue Prüflösung für Tellerfedern nach DIN EN 16983 aufbauen möchten. Wir stimmen Maschine, Messtechnik und Vorrichtung gemeinsam mit Ihnen auf Ihre Federabmessungen, den erwarteten Kraftbereich und Ihre dokumentarischen Anforderungen ab.
Häufige Fragen zur DIN EN 16983
Was regelt die DIN EN 16983?
Die DIN EN 16983 beschreibt Qualitätsanforderungen und Maße für Tellerfedern. Für die Prüfung sind insbesondere geometrische Merkmale sowie die Federkraft bei festgelegten Prüfhöhen relevant.
Was ist der Unterschied zwischen DIN EN 16983 und DIN EN 16984?
Die DIN EN 16983 behandelt Qualitätsanforderungen und Maße von Tellerfedern. Die DIN EN 16984 befasst sich dagegen mit deren Berechnung. In der Praxis werden beide Normen daher häufig gemeinsam betrachtet: Die DIN EN 16984 unterstützt die konstruktive Auslegung, während die DIN EN 16983 Anforderungen an das ausgeführte Produkt beschreibt.
Warum muss die Federkraft bei einer definierten Prüfhöhe gemessen werden?
Die Federkraft verändert sich mit der Verformung der Tellerfeder. Ein Kraftwert ist deshalb nur dann eindeutig vergleichbar, wenn auch die zugehörige Prüfhöhe beziehungsweise der Federweg festgelegt ist. Nach DIN EN 16983 werden die Federkräfte auf die Prüfhöhe lP = l0 − 0,75·h0 bezogen, also auf einen Federweg von 75 Prozent der lichten Kegelhöhe.
Was ist der Unterschied zwischen Federpaket und Federsäule?
Beim Federpaket werden Tellerfedern gleichsinnig geschichtet. Die Federkräfte addieren sich näherungsweise, während der Federweg dem einer Einzelfeder entspricht. Bei der Federsäule werden Tellerfedern wechselsinnig geschichtet. Die Federwege addieren sich näherungsweise, die Federkraft entspricht der einer Einzelfeder. Durch kombinierte Schichtungen lassen sich gezielt Kennlinien mit gewünschter Kraft-Weg-Charakteristik realisieren.
Welche Prüfmaschine eignet sich für Tellerfedern?
Geeignet ist eine Universalprüfmaschine mit passendem Kraftbereich, präziser Kraftmessung, hochauflösender Wegmessung, planparallelen Druckplatten und einem ausreichend steifen Prüfrahmen. Die Kraftmessung sollte nach DIN EN ISO 7500-1 kalibriert sein. Die Auswahl richtet sich nach Federkraft, Federweg, Abmessungen und dem vorgesehenen Prüfablauf.
Warum werden Tellerfedern vor der Kraftmessung vorgesetzt?
Beim Vorsetzen wird die Tellerfeder mehrfach bis zur spezifizierten Setztiefe belastet. Dadurch bauen sich Eigenspannungen ab und die anschließenden Kraftmessungen liefern reproduzierbare Werte. Ohne Vorsetzen weichen die gemessenen Kräfte häufig systematisch von den späteren Betriebswerten ab.
