Kompressionsfjädrar lagrar mekanisk energi när de komprimeras och frigör mekanisk energi när belastningen tas bort. Även om tryckfjädrar vanligtvis är gjorda av fjäderstål, kan de också innehålla kol, magnesium, nickel, krom, tenn, koppar, volfram och aluminium.
Olika material skapar varierande grad av elasticitet och energilagringskapacitet för tryckfjädrar.
Robert Hooke föreslog en formel så tidigt som 1676 för att beräkna kraften som utövas av en fjäder, som är proportionell mot dess förlängning.
Kompressionsfjädrar är mekaniska enheter speciellt utformade för att känna av axiella tryckbelastningar. De kan vanligtvis också sträcka sig och rotera till en punkt. Generellt sett kan tryckfjädrar lagra mekanisk energi när de utsätts för tryckbelastningar. När belastningen har tagits bort kommer de att återgå till sin ursprungliga form och storlek - genomgår elastisk deformation.
Denna unika förmåga att lagra potentiell energi, i kombination med dess relativa enkelhet och prisvärdhet, gör tryckfjädrar värdefulla i ett brett spektrum av applikationer. Från mekaniska tangentbordsknappar, madrasser och kulspetspennor, till skjutvapen och stötdämpare för bilupphängning. Sedan 1400-talet har vi använt tryckfjädrar, och den första tryckfjädern användes i klockanordningar.
Typer av tryckfjädrar
Tryckfjädrar kan ha många olika geometriska former. De vanligaste är spolar eller spiralfjädrar. Denna form är mer populär än andra former eftersom den möjliggör sömlös hög kompression och expansion till en punkt. Den är också lättare eftersom den använder färre material för att tillgodose behovet av att absorbera tryckbelastningar. Slutligen ger spiralfjäderns form denna typ en relativt stor fjäderkonstant (vilket kommer att förklaras i detalj senare).
Denna kategori är vidare uppdelad i underkategorier, inklusive:
Material av tryckfjäder
Tryckfjädrar är vanligtvis gjorda av fjäderstål, vilket är en typ av stål med hög sträckgräns. Detta gör att de kan behålla sin ursprungliga form, storlek och form även när de deformeras till det yttersta. Därför har dessa stål ett stort elastiskt deformationsutrymme under påkänning. Detta händer på molekylär nivå, så sammansättningen av dessa stål har en betydande inverkan på deras elasticitet.
Generellt sett innehåller fjäderstål kol och mangan, såväl som nickel, krom, molybden, tenn, vanadin, koppar, järn, volfram och aluminium. Fjäderstål klassificeras av den officiella ASTM baserat på dess sträckgräns och hårdhet, så olika materialsammansättningar kan vara lämpliga för olika applikationer. Till exempel används ASTM A228 för pianosträngar som innehåller 0,7% -1% kol och 0,2% -0,6% mangan, med maximalt utbyte hållfasthet på 530 megapascal och en draghållfasthet på 400 megapascal.
Kännetecken för tryckfjädrar
I det här avsnittet kommer jag att fokusera på att introducera upprullade spiralfjädrar, eftersom dessa fjädrar är de mest använda tryckfjädrarna. Dessa fjädrar har vissa egenskaper som har stor betydelse för deras prestanda. Ytterdiametern (D) avser diametern på cylindern som bildas av fjädern sett uppifrån. Spiraldiametern avser tjockleken (d) på fjädertråden, som också är cylindrisk. Den fria längden (L) avser fjäderns totala längd utan någon kompression, medan den effektiva helixen (na) och den totala helixen (n) är antalet spolar som lagrar och frigör mekanisk energi, och antalet bussspolar ( minst två är dedikerade till fjäderns ände/bas). Ett annat viktigt morfologiskt attribut är rotationsriktningen, som kan vara vänster eller höger.
Kraften som utövas av en fjäder är proportionell mot dess förlängning, en lag som föreslogs av Robert Hooke 1676, inom några korta år efter den första vårens tillämpning. Hooke introducerade denna formel för världen. "F=- kx", där F är fjäderkraften, x är sträckningsavståndet och k är fjäderkonstanten. Varje fjäder är annorlunda och bestäms av tillverkaren genom experiment eller av användaren genom formler. K=Gd4/[83dna]. Som nämnts tidigare är cylinder och koniska spolar olinjära fjädrar, så Hookes lag gäller inte för dem. Hookes lag gäller inte fjädrar som redan har deformerats eller överskridit den allmänna elasticitetsgränsen.
Kraften hos en helt komprimerad fjäder
För att beräkna kraften hos den helt komprimerade fjädern kan vi använda denna formel. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E är Youngs modul, d är diametern på ståltråden, L är den fria längden och n är antalet effektiva spiraler/spolar, ν Det är Poissons förhållande och D är den yttre diametern. Det är uppenbart att vissa av dem bestäms av stålet som designern valt, medan andra bestäms av fjäderns form, form och storlek.
Designöverväganden
När du designar en tryckfjäder är det första du ska bestämma vilket material du vill använda. Ta sedan reda på skjuvmodulen (G) och draghållfastheten (TS) från datatabellen. Dessa två faktorer är avgörande för att bestämma spänningsprocenten, till exempel vid beräkning av belastningskrav (100* σ/ Beräkna i vilken grad fjädern trycks ihop när en viss belastning induceras, baserat på draghållfastheten.
En annan viktig faktor är fjäderns diameter när den är sammanpressad till dess maximala punkt. Spiraltryckfjädrar tenderar att öka i diameter under kompression. Så det är viktigt att beräkna denna expansion med formeln "expansion={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
Fjäderns index är viktigt och konstruktörer försöker hålla det inom intervallet 4 till 10. Dess beräkningsmetod är "C=(Dd/d)", vilket ger en bra uppfattning om förhållandet mellan tråd tjocklek till fjäderdiameter. Detta kommer att bestämma fjäderns totala styrka (mindre är starkare, men större är lättare att komprimera).
