Kann Stahlfeder "weich" werden?

[Martin Blanke]

Hallo,

manche Fahrradsättel haben Spiralfedern aus Stahl. Können diese Federn im
Laufe der Nutzungszeit "weicher" werden, d.h. kann die Federkonstante
kleiner werden (rein elastische Verformung vorausgesetzt)? Mein
Fahrradhändler bzw. sein Gehilfe behauptet genau dies. Ich habe gerade einen
neuen Sattel (Brooks Champion Flyer) probegefahren und ihm gesagt, dass die
Federn viel härter seien als beim 15 Jahre alten, nach Augenschein
baugleichen Sattel (Brooks Champion B66) an meinem anderen Fahrrad, was man
auch beim Zusammendrücken mit der Hand ganz klar spüren und sehen kann.

Ich habe auch schon bei anderer Gelegenheit jemanden sagen gehört, dass der
Stahlrahmen seines Fahrrades im Laufe der Zeit "immer weicher" geworden sei.

Beides kann m.E. nicht stimmen, da der Elastizitätsmodul von Stahl doch wohl
eine Materialkonstante ist, die so heißt, weil sie sich eben nicht ändert.

Meinungen bzw. möglichst gesicherte Erkenntnisse dazu?

mfg, Martin

[Christoph Müller]

Martin Blanke schrieb:

Stähle haben durchaus Ermüdungserscheinungen. Die ganze Rechnerei mit
Federkonstante und anderen Werten ist immer nur ein mehr oder weniger
gutes Abbild der Realität.

Post by Martin Blanke
manche Fahrradsättel haben Spiralfedern aus Stahl. Können diese Federn
im Laufe der Nutzungszeit "weicher" werden, d.h. kann die Federkonstante
kleiner werden

selbstverständlich können sie das.

Post by Martin Blanke
Beides kann m.E. nicht stimmen, da der Elastizitätsmodul von Stahl doch
wohl eine Materialkonstante ist, die so heißt, weil sie sich eben nicht
ändert.

Die Konstante ich aber auch nur konstant, wenn sich nichts ändert. Was
sich ändert, ist der Einfluss von Wind und Wetter (->Rost, Oxidation)
sowie die ständigen unterschiedlichen Belastungen; oft auch noch mit
Nulldurchgängen, die sich durchaus auf das Gefüge im Stahl auswirken
können. Spannungen innerhalb des Materials lösen sich allmählich. Es
gibt auch Ermüdungsbrüche...

[Carsten Thumulla]

Post by Martin Blanke
Beides kann m.E. nicht stimmen, da der Elastizitätsmodul von Stahl doch
wohl eine Materialkonstante ist, die so heißt, weil sie sich eben nicht
ändert.

Naja, die können sich schon ändern. Duraluminium wird härter, Auslagerung.

Sowas würde ich aber unter Werbeaussage von Möchtegernfachleuten einordnen.

Federn können sich (selten) setzen, werden kürzer.


Carsten

[Volker Borst]

Post by Martin Blanke
Beides kann m.E. nicht stimmen, da der Elastizitätsmodul von Stahl doch
wohl eine Materialkonstante ist, die so heißt, weil sie sich eben nicht
ändert.

Der E-Modul ist keine Konstante, sondern ein Kennwert. Er ist von vielen
Einflüssen abhängig, u.a. von der Temperatur und der Prüfgeschwindigkeit.

Zum Thema 'Erweichen von Stahl' kann ich nicht weiterhelfen, halte es
aber schon für möglich, dass es dazu kommt (Veränderungen in der
Gitterstruktur des Metallgefüges, die bei erhöhten Temperaturen schnell
ablaufen, wird es auch schon bei Raumtemperatur geben...und die werden
durch dynamische Belastung sicher auch beschleunigt ablaufen).

Volker

[Martin Blanke]

Hallo,

danke erstmal für die Antworten. Überzeugt bin ich allerdings noch nicht.
Ich habe vor langer Zeit mal Bauingenieurwesen studiert, mich seitdem aber
mit anderen Dingen beschäftigt, daher kann ich mich nur auf meine Erinnerung
an das Studium stützen. Und die sagt mir: Der einzige materialbezogene
Faktor, der in Verformungsberechnungen (bei konstanter Temperatur) eingeht,
ist der E-Modul. Wenn der sich im Lauf der Zeit unter der zugrundegelegten
Belastung ändern würde, müssten Stahltürme im Laufe ihres Lebens immer
stärker schwanken, müssten Stahlbrücken und Stahlbetonträger immer stärker
durchhängen usw. Mit Verlaub, aber davon habe ich damals nie was gehört.
Wenn die Berechnung eine bestimmte Verformung unter einer bestimmten
Belastung ergibt, dann gilt das, solange das Bauteil lebt.
Wie gesagt, ich lege rein elastische Verformung bei normalen
Umgebungstemperaturen zugrunde. Wenn die Belastung so groß ist, dass der
Stahl anfängt zu fließen, sieht es natürlich anders aus.
Der Fahrradfachmann behauptet ja, dass die Sattelfedern bei ganz normalem
Gebrauch (bei Temperaturen, bei denen man normalerweise Fahrrad fährt, und
ohne die Federn zu überdehnen) im Lauf der Zeit "weicher" werden, und zwar
in ganz deutlich spürbarem Maße.

mfg, Martin

[Volkhard Kuhn]

Moin Moin dr. Group,

Post by Martin Blanke
Hallo,
Der einzige
materialbezogene Faktor, der in Verformungsberechnungen (bei konstanter
Temperatur) eingeht, ist der E-Modul. Wenn der sich im Lauf der Zeit
unter der zugrundegelegten Belastung ändern würde, müssten Stahltürme im
Laufe ihres Lebens immer stärker schwanken, müssten Stahlbrücken und
Stahlbetonträger immer stärker durchhängen usw. Mit Verlaub, aber davon
habe ich damals nie was gehört. Wenn die Berechnung eine bestimmte
Verformung unter einer bestimmten Belastung ergibt, dann gilt das,
solange das Bauteil lebt.
Wie gesagt, ich lege rein elastische Verformung bei normalen
Umgebungstemperaturen zugrunde. Wenn die Belastung so groß ist, dass der
Stahl anfängt zu fließen, sieht es natürlich anders aus.
Der Fahrradfachmann behauptet ja, dass die Sattelfedern bei ganz
normalem Gebrauch (bei Temperaturen, bei denen man normalerweise Fahrrad
fährt, und ohne die Federn zu überdehnen) im Lauf der Zeit "weicher"
werden, und zwar in ganz deutlich spürbarem Maße.
mfg, Martin

frage Dich bitte mal selber.

1.) alte Federkernmatrazen hängen auch nach einiger Zeit durch.

2.) verwechsle bitte nicht Brücken aus Stahl mit Federstahl. Federstahl
kann Kalt-/Warmgezogen sein.

Mit freundlichem Gruß

Volkhard Kuhn

[Martin Blanke]

Hallo,

Post by Volkhard Kuhn
frage Dich bitte mal selber.
1.) alte Federkernmatrazen hängen auch nach einiger Zeit durch.
-------------------

Eine durchhängende Matratze hängt auch im unbelasteten Zustand schon durch.
Dann aber heißt das, dass die Federn überdehnt, also plastisch verformt
wurden. Diesen Fall betrachte ich jedoch nicht.

Post by Volkhard Kuhn
2.) verwechsle bitte nicht Brücken aus Stahl mit Federstahl. Federstahl
kann Kalt-/Warmgezogen sein.
-------------------

OK, das kann ein Argument sein. Federstahl kam in unseren Berechnungen im
Studium tatsächlich nicht vor.

mfg, Martin

[Axel Berger]

alte Federkernmatrazen hSigmngen auch nach einiger Zeit durch.

Stimmt. Aber der wesentliche Effekt ist hier eine plastische
Verformung, eine Verschiebung der Nullage. Die Federkonstante ändert
sich, wenn überhaupt, nur sehr wenig.
Das ist alles sehr lange her und ich hatte seitdem nichts mehr mit dem
Thema zu tun, aber ich erinnere mich dunkel, daß Dinge wie Härten und
Anlassen den E-Modul nicht oder fast nicht ändern. Im Umkehrschluß
sollten Diffusionsprozesse, die diese inneren Spannungen abbauen, das
auch nicht tun.
Zuletzt kann ich mich nicht erinnern, bei den Federberechnungen im
Grundstudium mehrere Möglichkeiten mit verschiedenen Materialwerten
gehabt zu haben. Stahl war Stahl und Tabellen mit verschiedenen
Elastizitätsmoduln gab es nicht.

Die Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Elastizit%C3%A4tsmodul
scheint meiner verblassenden Erinnerung Recht zu geben.

Ergo: Federhärten ändern sich *nicht*.

[Ernst Sauer]

Post by Martin Blanke
Hallo,
danke erstmal für die Antworten. Überzeugt bin ich allerdings noch
nicht. Ich habe vor langer Zeit mal Bauingenieurwesen studiert, mich
seitdem aber mit anderen Dingen beschäftigt, daher kann ich mich nur auf
meine Erinnerung an das Studium stützen. Und die sagt mir: Der einzige
materialbezogene Faktor, der in Verformungsberechnungen (bei konstanter
Temperatur) eingeht, ist der E-Modul.

...
...

Die Feder unter Deinem Sattel ist eine Torsionsfeder.
Es interessiert also nicht nur die Materialkonstante
(hier ist übrigens der G- nicht der E-Modul von Interesse)
sondern die Geometrie der Feder.

Es kann durchaus sein, dass sich die Ringweite und/oder
die Ganghöhe dieser Torsionssfeder im Laufe der Zeit
ändern. Ich weiss es nicht, ob das so ist, aber ich würde
eher auf diese Effekte tippen als auf eine Änderung des
G-Moduls. Vergleiche doch einfach mal den Durchmesser des
Drahtes, den Durchmesser der Feder, die Ganghöhe und
die Anzahl der Windungen.

Ich kann mir auch vorstellen, dass an einzelnen Stellen
teilweise plastische Verformungen in den äußeren
Zonen des Drahtes vorhanden sind, die zu einer geringeren
Querschnittssteifigkeit führen.
Die Torsionsspannunen im Kreisquerschnitt des Drahtes
sind ja am Rand am größten. Wenn es hier zu einer
Überbeanspruchung kommt, fließt das Material am Rand.
Diese Bereiche wirken dann quasi wie Rutschkupplungen
und das reduziert die Querschnittssteifigkeit
(hier ist es die Torsionssteifigkeit GI_T).

Mit Gruß
Ernst Sauer

[Ralf . K u s m i e r z]

X-No-Archive: Yes

Post by Ernst Sauer
Ich kann mir auch vorstellen, dass an einzelnen Stellen
teilweise plastische Verformungen in den äußeren
Zonen des Drahtes vorhanden sind, die zu einer geringeren
Querschnittssteifigkeit führen.
Die Torsionsspannunen im Kreisquerschnitt des Drahtes
sind ja am Rand am größten. Wenn es hier zu einer
Überbeanspruchung kommt, fließt das Material am Rand.
Diese Bereiche wirken dann quasi wie Rutschkupplungen
und das reduziert die Querschnittssteifigkeit
(hier ist es die Torsionssteifigkeit GI_T).

Wenn sich das Material periodisch plastisch verformt, dann ist es
ruck-zuck gebrochen. Was die weicher werdenden Rahmen angeht: Die
*werden* "weicher". Die Ursache sind sich ausbreitende Risse, und
natürlich brechen die dann irgendwann.


Gruß aus Bremen
Ralf

[Ernst Sauer]

Post by Ralf . K u s m i e r z
X-No-Archive: Yes

Post by Ernst Sauer
Ich kann mir auch vorstellen, dass an einzelnen Stellen
teilweise plastische Verformungen in den äußeren
Zonen des Drahtes vorhanden sind, die zu einer geringeren
Querschnittssteifigkeit führen.
Die Torsionsspannunen im Kreisquerschnitt des Drahtes
sind ja am Rand am größten. Wenn es hier zu einer
Überbeanspruchung kommt, fließt das Material am Rand.
Diese Bereiche wirken dann quasi wie Rutschkupplungen
und das reduziert die Querschnittssteifigkeit
(hier ist es die Torsionssteifigkeit GI_T).

Wenn sich das Material periodisch plastisch verformt, dann ist es
ruck-zuck gebrochen.

Periodisch?
Bei der Sattelfeder haben wir nur eine Schwellbeanspruchung
keine Wechselbeanspruchung. Eine Beanpruchung über die
Elastizitätsgrenze hinaus wird sich auch nur sehr selten
und dann stossartig einstellen. Zu einer Überbeanspruchung
wird es gelegentlich aber schon kommen, denn die Feder wird
vermutlich nicht stark überdimensioniert, sonst wird sie zu
hart und der Sattel zu schwer.
Bei der Überbeanspruchung kommen die Randfasern ins Fliessen.
Nach der Entlastung verbleiben im Querschnitt ein unvermeidbarer
Eigenspannungszustand und Vorverformungen.
Meine Vermutung ist nun, dass sich dadurch die Querschnitts-
Steifigkeit etwas reduziert (was sonst).
Ich tippe eher auf einen solchen Effekt, weil ich noch nie
gehört oder gelesen habe, dass sich der E-/G-Modul von Stahl
(es sind sicher Stahlfedern) im Laufe der Zeit ändert.
Wäre das der Fall, dann müsste man diesen Effekt im Bauwesen
berücksichtigen.

Mit Gruß
Ernst Sauer

[Martin Blanke]

Hallo,

..... Was die weicher werdenden Rahmen angeht: Die
*werden* "weicher". Die Ursache sind sich ausbreitende Risse, und
natürlich brechen die dann irgendwann.
-----------------

In diesem Punkt gehen meine Vermutungen in die gleiche Richtung. Zusätzlich
kann ich mir vorstellen, dass bei älteren Stahlrahmen, die meist gemufft und
gelötet und nicht geschweißt sind, hier und da eine Lötverbindung partiell
zerbröselt.

mfg, Martin

[Martin Blanke]

An alle,

aus Euren Äußerungen schließe ich, dass es zu diesem Problem

a.) noch keine gesicherten Erkenntnisse gibt oder dass diese jedenfalls
nicht sehr verbreitet sind

b.) dass im konkreten Fall der Spiralfeder im Fahrradsattel es tatsächlich
sein kann, dass die Steifigkeit nachlässt, aber nur nach einer (geringen)
plastischen Verformung im Randbereich des Federdrahtquerschnittes, was aber
durchaus im normalen Gebrauch vorkommt oder sogar planmäßig einkalkuliert
ist. Damit verbunden wäre dann jedoch immer auch eine bleibende Verformung
geringen Ausmaßes, die nicht auffällt, weil sie gering ist und weil sie sich
erst nach und nach aufbaut.

Ich denke, damit können wir den Thread schließen. Danke für die Beiträge!

mfg, Martin

[Joachim Pimiskern]

Post by Martin Blanke
aus Euren Äußerungen schließe ich, dass es zu diesem Problem
a.) noch keine gesicherten Erkenntnisse gibt oder dass
diese jedenfalls nicht sehr verbreitet sind

Mittlerweile schon:
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2006-08/nios-nxm080306.php
http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,566642,00.html
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2004/pressemitteilung20040302/
http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/149883.html
http://derstandard.at/?id=1481476

Grüße,
Joachim

[Joachim Pimiskern]

Post by Martin Blanke
aus Euren Äußerungen schließe ich, dass es zu diesem Problem
a.) noch keine gesicherten Erkenntnisse gibt oder dass
diese jedenfalls nicht sehr verbreitet sind

Mittlerweile schon:
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2006-08/nios-nxm080306.php
http://www.welt.de/print-welt/article201127/Muede_Materialien.html
http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,566642,00.html
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2004/pressemitteilung20040302/
http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/149883.html
http://derstandard.at/?id=1481476

Grüße,
Joachim

[Michael Dahms]

Post by Martin Blanke
Meinungen bzw. möglichst gesicherte Erkenntnisse dazu?

Ermüdungsrisse senken die Bauteilsteifigkeit.

Michael Dahms

[Peter Niessen]

Post by Martin Blanke
Hallo,
manche Fahrradsättel haben Spiralfedern aus Stahl. Können diese Federn im
Laufe der Nutzungszeit "weicher" werden, d.h. kann die Federkonstante
kleiner werden (rein elastische Verformung vorausgesetzt)? Mein
Fahrradhändler bzw. sein Gehilfe behauptet genau dies. Ich habe gerade einen
neuen Sattel (Brooks Champion Flyer) probegefahren und ihm gesagt, dass die
Federn viel härter seien als beim 15 Jahre alten, nach Augenschein
baugleichen Sattel (Brooks Champion B66) an meinem anderen Fahrrad, was man
auch beim Zusammendrücken mit der Hand ganz klar spüren und sehen kann.
Ich habe auch schon bei anderer Gelegenheit jemanden sagen gehört, dass der
Stahlrahmen seines Fahrrades im Laufe der Zeit "immer weicher" geworden sei.
Beides kann m.E. nicht stimmen, da der Elastizitätsmodul von Stahl doch wohl
eine Materialkonstante ist, die so heißt, weil sie sich eben nicht ändert.
Meinungen bzw. möglichst gesicherte Erkenntnisse dazu?

Nach der Konsultation meines Federlieferanten (Gutekunst) gilt folgendes:
Federn haben ein "Setzverhalten" d. h.:
Eine Druckfeder wird durch Belastung auch im unbelasteten Fall kürzer und
dadurch ändert sich die Federkonstante. Gutekunst liefert deshalb alle
Federn "vorgesetzt".
Weiter gilt:
Federn behalten ihre Eigenschaften nur in einem sehr engen
Temperaturbereich (<100°K).
Falsch ausgelegte Federn brechen durch Materialstress aber sie werden nicht
weich.
Folgerung:
Qualität kaufen und gut ist das :-))

[Martin Blanke]

Post by Peter Niessen
Eine Druckfeder wird durch Belastung auch im unbelasteten Fall kürzer und
dadurch ändert sich die Federkonstante.
---------------------

Interessante Mitteilung. Um die hier richtig einordnen zu können, müssten
aber noch ein paar zusätzliche Infos her:
- Was ist der Grund für das "Setzen"?
- Geht das unter Belastung schneller?
- Wie lange dauert der Vorgang überhaupt?
- Um wieviel % wird die Feder dadurch kürzer?
- Gilt das nur für auf Druck belastete Schraubenfedern?

mfg, Martin

[Roland Damm]

Moin,

Post by Peter Niessen
Nach der Konsultation meines Federlieferanten (Gutekunst) gilt
Eine Druckfeder wird durch Belastung auch im unbelasteten Fall
kürzer und dadurch ändert sich die Federkonstante.
Falsch ausgelegte Federn brechen durch Materialstress aber sie
werden nicht weich.

?

Also wenn sie nicht weich werden, ändert sich nach meinem
Begriffsempfinden die Federkonstante nicht.

CU Rollo

[Michael Dahms]

Post by Roland Damm

Post by Peter Niessen
Falsch ausgelegte Federn brechen durch Materialstress aber sie
werden nicht weich.

?
Also wenn sie nicht weich werden, ändert sich nach meinem
Begriffsempfinden die Federkonstante nicht.

Wer den begriff 'Materialstress' verwendet, weiß nicht, wovon er redet,
oder er will sein Publikum verarschen.

Michael Dahms

[Ernst Sauer]

Peter Niessen schrieb:

...
...

Post by Peter Niessen
Nach der Konsultation meines Federlieferanten

Um welche Federn handelt es sich?
Um Stahl-Federn für Fahradsättel?

Post by Peter Niessen
Eine Druckfeder

Dieser Begriff ist hier nicht sehr erhellend.
Die Federwirkung einer Sattelfeder resultiert
aus einer Biegebeanspruch der Stahldrähte unter
dem Sattel und aus einer vorwiegenden Torsions-
beanspruchung im Bereich der Spiralen.
Beide Beanspruchungen liefern (schiefe) Hauptzug-
und Hauptdruckspannungen, egal, ob die äußere Last
eine Zug- oder Druckkraft ist.

Post by Peter Niessen
wird durch Belastung
auch im unbelasteten Fall kürzer und

??

Post by Peter Niessen
dadurch ändert sich die Federkonstante.

So ein Schmarrn.
Evtl. Anfangs-Nachgiebigkeiten (z.B. in den Anschlusspunkten)
haben nichts mit der Federsteifigkeit zu tun.
Holz und Beton zeigen Kriechverfomungen, Stahl nicht.

Post by Peter Niessen
Gutekunst liefert deshalb alle
Federn "vorgesetzt".
Federn behalten ihre Eigenschaften nur in einem sehr engen
Temperaturbereich (<100°K).

100°K = -172°C,
was meinst Du hier? Vielleicht delta_T?
Die Feder unter einem Sattel ist keiner
Temperaturdifferenz von 100° (K oder C) ausgesetzt.
Außerdem fühlt sich Stahl bis 300°C recht wohl.

Post by Peter Niessen
Falsch ausgelegte Federn brechen durch Materialstress aber sie werden nicht
weich.

Stahl bricht nicht sofort, vorher verformt er sich plastisch.

Post by Peter Niessen
Qualität kaufen und gut ist das :-))

Mit Gruß
Ernst Sauer

[Michael Dahms]

Post by Ernst Sauer

Post by Peter Niessen
Falsch ausgelegte Federn brechen durch Materialstress aber sie werden nicht
weich.

Stahl bricht nicht sofort, vorher verformt er sich plastisch.

Bist Du Dir da bei Federstahl auch ganz sicher? Der ist AFAIK ziemlich
spröde.

Alle gebrochenen Federn, die ich bislang untersucht habe, zeigten
Ermüdungsbrüche. Die Federkonstante nimmt während des
Ermüdungsrißwachstums ab.

Michael Dahms

[Vogel]

Post by Martin Blanke
Hallo,
manche Fahrradsättel haben Spiralfedern aus Stahl. Können diese Federn
im Laufe der Nutzungszeit "weicher" werden, d.h. kann die
Federkonstante kleiner werden (rein elastische Verformung
vorausgesetzt)?

Reine elastische Belastung vorausgesetzt, klares Nein.
Die kristaline Struktur von Stahl kann sich je nach Stahltyp und
Temperaturbelastung zwar ändern, das ist aber bei normalen
Beanspruchungen einer Sattelfeder dermassen gering, dass dies praktisch
keine Auswirkungen hat.
Andererseits können im Material remanente Spannungen zurückbleiben,
selbst im Bereich der elastischen Beanspruchung, die aber eine Feder eher
härter machen. Aber auch dieser Effekt ist wohl praktisch zu
vernachlässigen.

Post by Martin Blanke
Mein Fahrradhändler bzw. sein Gehilfe behauptet genau
dies. Ich habe gerade einen neuen Sattel (Brooks Champion Flyer)
probegefahren und ihm gesagt, dass die Federn viel härter seien als
beim 15 Jahre alten, nach Augenschein baugleichen Sattel (Brooks
Champion B66) an meinem anderen Fahrrad, was man auch beim
Zusammendrücken mit der Hand ganz klar spüren und sehen kann.

Dann ist es nicht die baugleiche Feder.

Post by Martin Blanke
Ich habe auch schon bei anderer Gelegenheit jemanden sagen gehört,
dass der Stahlrahmen seines Fahrrades im Laufe der Zeit "immer
weicher" geworden sei.

Schmarn.

Post by Martin Blanke
Beides kann m.E. nicht stimmen, da der Elastizitätsmodul von Stahl
doch wohl eine Materialkonstante ist, die so heißt, weil sie sich eben
nicht ändert.

Ja, in weiten Grenzen ändert sich E nicht. Er ist nur sehr leicht
temperaturabhängig. Aber E ist nicht die Federkonstante. Diese hängt auch
noch von den geometrischen Eigenschaften der Feder ab.