Wie funktioniert eine Feder?

[AstroTigger]

Hallöchen zusammen,

zum Justieren unserer Newton-Teleskope sind deren Hauptspiegel ja bekanntlich auf Federn gelagert.

Im Gespräch mit einem Sternfreund bin ich da aber jetzt auf eine Wissenlücke gestoßen, wie Federn eigentlich funktionieren:

Er meinte, die eingesetzten Federn würden sich erst ab einer gewissen "Anfangskraft" beginnen, sich zusammen zu drücken (nahezu konstanter Federverlauf, wie z.B. bei einer Ringfeder).
-> Problem: Dann sind die oft gesehenen Konterschrauben (Konterschraube ist eigentlich ein blödes Wort - es ist viel eher eine "Endanschlagschraube") am Teleskopspiegel aber überflüssig, oder?

Ich war immer der Meinung (und Wikipedia sieht das wohl genauso), dass die eingefederte Strecke der typischerweise verwendeten Federn (Schraubenfedern) von Anfang an mehr oder weniger linear mit der Kraft zusammenhängt.
-> Problem: Dann machen zwar die Konterschrauben Sinn, die einzigst richtige Stellung zum Justieren des Hauptspiegels ist dann aber die Zenitstellung (wovon ich noch nie gehört habe).

Vielleicht kann mir hier jemand weiterhelfen und erklären, wie das ganze nun funktioniert und ob/wofür wir die Konterschrauben benötigen.

Grüße
Andy

 

[Refek]

Hallo Andy,

das Prinzip nennt man "Zug-und Druckschrauben". Die Zugschraube hat die Funktion, den Spiegel gegen die hintere Halterung zu ziehen und die Druckschraube drückt gegen den Spiegel.

Bei justieren wird je ein Paar der Schrauben gelöst und je nach Lage des Spiegels mit der Druckschraube vom Halter weg oder mit der Zugschraube zum Halter hinbewegt. Man hat also mehr oder weniger immer beide Schrauben in den Händen, die jeweils gegeneinander verdreht werden - die eine auf und die andere zu.

Da dieses Prinzig besonders bei Dunkelheit ziemlich fummelig und nervig ist, setzen viele Sternfreunde in die Zugschraube eine Feder ein, die quasi die Druckschraube ersetzt. Je nachdem wieviel Spannung auf der Zugschraube nun liegt, wird diese nun entsprechend fest angezogen. Es spielt eigentlich dabei keine große Rolle, ob der Spiegel sich im gesamten dabei ein paar Millimeter weiter vom Fangspiegel entfernt. Zumindest sollte die Feder mit samt der Zugschraube nicht zu locker sitzen, damit sich der Spiegel beim Schwenken nicht bewegt.

Viele lassen die Druckschraube als Konterschraube im Halter geschraubt und sichern durch leichtes anziehen derselben so die Justierung. Das dient auch dazu, eine gewisse Justierstabilität während des Transportes zu erhalten.

Soweit verstanden?

CS,
Matthias

 

[Markus_Knueferm]

Hallo Andy,

erst einmal stimmt schon das, was in Wikipedia über Federn steht: Die Auslenkung 'u' ist proportional zur darauf wirkenden Kraft 'F'(der Proportionalitätsfaktor ist die Nachgiebigkeit '1/c', 'c' ist die Federrate):
u=F*1/c oder F=u*c.
Diese Beziehung gilt für die allermeisten Federn mit sehr guter Näherung.

Die Federn alleine sind aber als Lagerungselement ungeeignet. Wäre der Spiegel nur auf Federn gelagert, würde er sich bei jeder Krafteinwirkung verschieben. Hier kommen die Konterschrauben ins Spiel: Über die drei Konterschrauben wird die eigentliche Position des Spiegels festgelegt. Sie formen ein steifes Widerlager, auf dem sich der Spiegel abstützt. (Dein Begriff "Endanschlagschraube" ist tatsächlich passender)

Nachdem der Spiegel aber keine feste Verbindung zu den Schrauben hat, muss eine künstliche Anpresskraft (Vorspannung) erzeugt werden. Diese Kraft kommt aus den Federn, die den Spiegel auf die Konterschrauben ziehen (oder drücken - je nach Konstruktion). Diese Kraft muss groß genug sein, dass der Spiegel in keinem Betriebszustand den Kontakt zu den Kontermuttern verliert (sonst ist die eingestellte Position verloren) - Daher die Aussage Deines Freundes, dass eine gewisse Anfangskraft benötigt wird. Die Vorspannung sorgt ausserdem dafür, dass sich die Konterschrauben nicht so leicht verstellen.

Die in Matthias' Antwort angesprochenen Zug-/Druckschrauben funktionieren nach dem gleichen Prinzip, allerdings wird dabei die Rolle von Widerlager und Aufbringen der Vorspannung von beiden Schrauben gleichermassen übernommen. Das kann man sich leisten, da die 'Federraten' der Schrauben sehr hoch sind. Es macht die Einstellung robuster (weil eine sehr hohe Vorspannung erzeugt wird), aber aufwändiger (weil jeder Justagefreiheitsgrad durch zwei und nicht nur durch eine Schraube bestimmt wird).

Ich hoffe, das erklärt es...

Viele Grüße, Markus

 

[AstroTigger]

Hallo,

danke für die Antworten. Ich glaube so langsam geht mir ein Licht auf, und ich erkenne meinen Denkfehler.


Ich versuche noch einmal in eigenen Worten zu formulieren, was ich meine verstanden zu haben:

a) Die Auslenkung der verwendeten Federn ist proportional mit der einwirkenden Kraft.

b) Ich bringe über meine Zugschraube eine Vorspannung der Kraft F1 auf die Feder, wodurch diese sich um s1 verkürzt.

c) Jetzt kommt noch das Gewicht des Spiegels mit Belastung F2 hinzu. Wann Federt die Feder nun weiter ein? Würde die Feder weiter einfedern, dann hinge die Zugschraube nutzlos in der Luft - die gesammte Kraft würde dann alleine vom Spiegel aufgebracht werden. Diese Situation tritt genau dann ein, wenn F2 größer als F1 ist.

Zusammenfassung:
Wird die linear arbeitende Feder mit der Kraft F1 vorgespannt so ist die Kennlinie der zusätzlichen Stauchung bis zur "Anfangskraft" F1 genau 0, darüber hinaus arbeitet sie wieder linear.

Schlussfolgerung:
Die Konterschrauben haben ihren einzigsten Sinn darin, das langsame Lösen der Zugschraube durch Vibrationen beim Transport zu verhindern.


Vielen Dank - so ergibt alles wieder einen Sinn.
Grüße
Andy

 

[kalle66]

Hallo Andy,
ich glaube Du denkst einfach zu kompliziert.

Die Federn sorgen während der Justage und auch sonst, wenn man die Konterschrauben weg lässt, dafür, das die Justierschrauben immer "gespannt" sind. Schließlich sitzen die an einem Ende in einem Gewinde während der Schraubenkopf verhindert, dass sie durchrutschen kann. Bei sanften Gebrauch (und sofern die Feder härter gespannt ist, als das Spiegelgewicht), solange ist das schon justierstabil. Aber wie für Gürteltragende die Hosenträger doppelt Sicherheit liefern, so tut dies am Teleskop die Konterschraube, nicht mehr und nicht weniger.

Im übrigen löst sich eine per Feder gespannte Schraube nicht, denn DIN-Schrauben sind unter Last selbsthemmend. Wer allerdings beim Transport stärkere Vibrationen auslöst oder mal dagegen "tritt", der schafft es, dass dieser Impuls kurzzeitig die Schraube lastfrei setzt und damit "eine Schraube locker hat".

Du musst auch keine Angst haben, dass ohne Konterschrauben der Spiegel schwingen tut o.ä.. Die Feder sitzt schließlich nicht frei und schwingt, sondern ist "geklemmt".

Gruß

PS: Es gibt noch ein Grund für die Federn: DIN-Schrauben und die passenden Muttern dazu haben immer etwas "Spiel" (so 1/10mm bei M6), und Lastwechsel (Zugkraft der oberen Justierschraube in Horizontallage vs. Druckkraft der gleichen Schraube in Vertikalposition/Zenitstellung des Teleskops) würden eine Dejustage um eben dieses Spiel führen. Der Feder spannt aber die Schraub vor, so dass sie immer unter Zug bzw. Druck steht. (Damit hast Du auch die Mindestspannkraft unter der die Federn stehen sollen.)