Was ist eine Feder mit konstanter Kraft?

Bei den meisten Federtypen ist die Kraft, die beim Zusammendrücken und anschließenden Entspannen der Feder ausgeübt wird, proportional zu der Strecke, die sie gedehnt hat. Eine Feder mit konstanter Kraft befolgt im Gegensatz zu einer gewöhnlichen Feder diese Regel nicht. Durch die physikalische Konstruktion der Konstantkraftfeder bleibt die Kraft, mit der sie zurückfedert, konstant. Federn mit konstanter Kraft sind daher in vielen Anwendungen nützlich, bei denen eine konstante Rückstoßkraft wichtig ist.

Das Verhalten gewöhnlicher Federn kann durch eine mathematische Gleichung beschrieben werden, die als Hookesches Gesetz bekannt ist. Dieses Gesetz besagt, dass die Kraft einer Rückstoßfeder in Rückstoßrichtung gleich dem Abstand der Verschiebung der Feder aus dem Gleichgewicht – also wie weit sie gedehnt wurde – multipliziert mit einer mathematischen Konstanten, der Federrate, ist. Die Feder zieht sich in die entgegengesetzte Richtung zurück, in die sie gedehnt wurde. Da sich viele elastische Materialien auf diese Weise verhalten, hat das Hookesche Gesetz breite Anwendungen in der Physik.

Das Hookesche Gesetz gilt nicht für Federn mit konstanter Kraft, da ihre Rückstoßkraft über ihren gesamten Bewegungsbereich konstant bleibt. Dies wird durch ihr einzigartiges physikalisches Design erreicht, das aus einem dünnen, gewickelten Stahlband besteht. Federn mit konstanter Kraft liegen in einem entspannten Zustand, wenn sie vollständig aufgerollt sind, und werden mit Kraft aufgeladen, wenn sie teilweise oder vollständig abgerollt sind. Beim Loslassen federt die Feder zurück, indem sie das verlängerte Band zu einer straffen Rolle zurückzieht. Da die Rückstoßkraft hauptsächlich von dem Teil kommt, der der aufgewickelten Rolle am nächsten liegt, wird eine konstante Kraft aufrechterhalten.

Eine häufige Anwendung der Feder mit konstanter Kraft ist bei den Maßbändern zu sehen, die im Haushalt und im Bauwesen verwendet werden. Ein typischer Maßbandmechanismus besteht aus einem dünnen Metallband, das in einem Kunststoffgehäuse um eine Innentrommel gewickelt ist. Wenn das Maßband herausgezogen und verriegelt wird, wird Kraft auf die Feder ausgeübt. Nach dem Lösen der Sperre zieht sich das Farbband automatisch wieder in das Kunststoffgehäuse zurück. Dieses Zurückziehen wird durch die Rückstoßwirkung der Rolle erreicht, die als Feder mit konstanter Kraft fungiert.

Auch viele andere Geräte mit automatischem Einzug nutzen die Konstantkraftfeder. Einige Beispiele umfassen Autosicherheitsgurte, Fensterausgleicher, Sitzlehnenlehnen und Heftpistolen. Bei all diesen Anwendungen muss die Kraft erzeugende Vorrichtung konstant sein und sich jedes Mal gleich verhalten, während sie auf kleinem Raum wirkt. Federn mit konstanter Kraft erfüllen beide Bedingungen, da sie eine konstante Kraft ausüben und auch straff gewickelt werden können, wodurch eine große Bandlänge in einen bescheidenen Bereich passt.