Sprężyny naciskowe magazynują energię mechaniczną po ściśnięciu i uwalniają energię mechaniczną po usunięciu obciążenia. Chociaż sprężyny naciskowe są zwykle wykonane ze stali sprężynowej, mogą również zawierać węgiel, magnez, nikiel, chrom, cynę, miedź, wolfram i aluminium.
Różne materiały zapewniają różnym stopniom elastyczności i zdolności magazynowania energii sprężyn naciskowych.
Już w 1676 roku Robert Hooke zaproponował wzór pozwalający obliczyć siłę wywieraną przez sprężynę, która jest proporcjonalna do jej wydłużenia.
Sprężyny naciskowe to urządzenia mechaniczne zaprojektowane specjalnie do wykrywania osiowych obciążeń ściskających. Zwykle mogą również rozciągać się i obracać do pewnego punktu. Ogólnie rzecz biorąc, sprężyny naciskowe mogą magazynować energię mechaniczną poddawane obciążeniom ściskającym. Po usunięciu obciążenia powrócą do pierwotnego kształtu i rozmiaru – ulegają odkształceniu sprężystemu.
Ta wyjątkowa zdolność do magazynowania energii potencjalnej w połączeniu ze względną prostotą i przystępnością cenową sprawia, że sprężyny naciskowe są cenne w szerokim zakresie zastosowań. Od mechanicznych przycisków klawiatury, materacy i długopisów, po broń palną i amortyzatory zawieszenia samochodowego. Od XV wieku stosujemy sprężyny naciskowe, a pierwszą sprężynę naciskową zastosowano w urządzeniach zegarowych.
Rodzaje sprężyn naciskowych
Sprężyny naciskowe mogą mieć wiele różnych kształtów geometrycznych. Najpopularniejsze to cewki lub sprężyny spiralne. Ten kształt jest bardziej popularny niż inne kształty, ponieważ pozwala na płynną, wysoką kompresję i rozszerzanie do pewnego punktu. Jest także lżejszy, ponieważ wykorzystuje mniej materiałów, aby zaspokoić potrzebę pochłaniania obciążeń ściskających. Wreszcie kształt sprężyny śrubowej nadaje temu typowi stosunkowo dużą stałą sprężystości (co zostanie szczegółowo wyjaśnione później).
Kategoria ta jest dalej podzielona na podkategorie, w tym:
Materiał sprężyny naciskowej
Sprężyny naciskowe są zwykle wykonane ze stali sprężynowej, która jest rodzajem stali o dużej granicy plastyczności. Dzięki temu zachowują swój pierwotny kształt, rozmiar i kształt nawet w przypadku skrajnego odkształcenia. Dlatego stale te mają dużą przestrzeń odkształcenia sprężystego pod naprężeniem. Dzieje się to na poziomie molekularnym, zatem skład tych stali ma istotny wpływ na ich elastyczność.
Ogólnie rzecz biorąc, stal sprężynowa zawiera węgiel i mangan, a także nikiel, chrom, molibden, cynę, wanad, miedź, żelazo, wolfram i aluminium. Stal sprężynowa jest klasyfikowana przez oficjalną normę ASTM na podstawie jej granicy plastyczności i twardości, dlatego do różnych zastosowań może być odpowiedni skład różnych materiałów. Na przykład normę ASTM A228 stosuje się w przypadku strun do fortepianów zawierających 0,7% -1% węgla i 0,2% -0,6% manganu, przy maksymalnej wydajności wytrzymałość 530 megapaskali i wytrzymałość na rozciąganie 400 megapaskali.
Charakterystyka sprężyn naciskowych
W tej sekcji skupię się na wprowadzeniu niezwiniętych sprężyn śrubowych, ponieważ sprężyny te są najczęściej stosowanymi sprężynami naciskowymi. Sprężyny te mają pewne cechy, które mają ogromne znaczenie dla ich działania. Średnica zewnętrzna (D) odnosi się do średnicy cylindra utworzonego przez sprężynę, patrząc od góry. Średnica cewki odnosi się do grubości (d) drutu sprężyny, który również jest cylindryczny. Długość swobodna (L) odnosi się do całkowitej długości sprężyny bez ściskania, natomiast spirala efektywna (na) i spirala całkowita (n) to liczba cewek magazynujących i uwalniających energię mechaniczną oraz liczba cewek szynowych ( co najmniej dwa są przeznaczone na koniec/podstawę sprężyny). Inną ważną cechą morfologiczną jest kierunek obrotu, który może być w lewo lub w prawo.
Siła wywierana przez sprężynę jest proporcjonalna do jej wydłużenia, zgodnie z prawem zaproponowanym przez Roberta Hooke'a w 1676 r., w ciągu kilku lat od zastosowania pierwszej sprężyny. Hooke przedstawił tę formułę światu. „F=- kx”, gdzie F to siła sprężyny, x to odległość rozciągania, a k to stała sprężyny. Każda sprężyna jest inna i ustalana przez producenta na podstawie eksperymentów lub przez użytkownika na podstawie receptur. K=Gd4/[83dna]. Jak wspomniano wcześniej, cewki lufowe i stożkowe są sprężynami nieliniowymi, więc prawo Hooke'a ich nie dotyczy. Prawo Hooke'a nie ma zastosowania do sprężyn, które już odkształciły się lub przekroczyły ogólną granicę sprężystości.
Siła całkowicie ściśniętej sprężyny
Aby obliczyć siłę całkowicie ściśniętej sprężyny, możemy skorzystać z tego wzoru. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E to moduł Younga, d to średnica drutu stalowego, L to swobodna długość, n to liczba efektywnych helis/cewek, ν to współczynnik Poissona, a D to średnica zewnętrzna. Wiadomo, że część z nich wynika z wybranej przez projektanta stali, część zaś ze względu na formę, kształt i wielkość sprężyny.
Rozważania projektowe
Projektując sprężynę naciskową, pierwszą rzeczą, którą należy podjąć, jest wybór materiału, którego chcesz użyć. Następnie znajdź moduł ścinania (G) i wytrzymałość na rozciąganie (TS) z tabeli danych. Te dwa czynniki są kluczowe przy określaniu procentu naprężenia, na przykład przy obliczaniu wymagań dotyczących obciążenia (100* σ/. Oblicz stopień, do jakiego sprężyna jest ściskana pod wpływem określonego obciążenia, w oparciu o wytrzymałość na rozciąganie.
Innym ważnym czynnikiem jest średnica sprężyny ściśniętej do maksymalnego punktu. Spiralne sprężyny naciskowe mają tendencję do zwiększania średnicy podczas ściskania. Dlatego ważne jest, aby obliczyć to rozwinięcie za pomocą wzoru „rozszerzenie={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}”.
Indeks sprężyny jest ważny i projektanci starają się utrzymać go w przedziale od 4 do 10. Jej metodą obliczeniową jest „C=(Dd/d)”, która zapewnia dobre pojęcie o stosunku drutu grubości do średnicy sprężyny. To określi ogólną wytrzymałość sprężyny (mniejsza jest mocniejsza, ale większa jest łatwiejsza do ściągnięcia).
