Пружины сжатия сохраняют механическую энергию при сжатии и высвобождают механическую энергию при снятии нагрузки. Хотя пружины сжатия обычно изготавливаются из пружинной стали, они также могут содержать углерод, магний, никель, хром, олово, медь, вольфрам и алюминий.
Различные материалы создают разную степень эластичности и энергоемкости пружин сжатия.
Еще в 1676 году Роберт Гук предложил формулу для расчета силы, действующей на пружину, которая пропорциональна ее удлинению.
Пружины сжатия — это механические устройства, специально разработанные для восприятия осевых сжимающих нагрузок. Обычно они также могут растягиваться и вращаться в определенную точку. Вообще говоря, пружины сжатия могут накапливать механическую энергию при воздействии сжимающих нагрузок. После снятия нагрузки они возвращаются к своей первоначальной форме и размеру, подвергаясь упругой деформации.
Эта уникальная способность хранить потенциальную энергию в сочетании с ее относительной простотой и доступностью делает пружины сжатия ценными в широком спектре применений. От кнопок механической клавиатуры, матрасов и шариковых ручек до огнестрельного оружия и амортизаторов подвески автомобиля. С 15 века мы используем пружины сжатия, а первая пружина сжатия использовалась в часовых устройствах.
Типы пружин сжатия
Пружины сжатия могут иметь множество различных геометрических форм. Наиболее распространенными являются витки или спиральные пружины. Эта форма более популярна, чем другие формы, поскольку она обеспечивает плавное сжатие и расширение до определенной точки. Он также легче, поскольку в нем используется меньше материалов для поглощения сжимающих нагрузок. Наконец, форма винтовой пружины придает этому типу относительно большую жесткость пружины (которая будет подробно объяснена позже).
Эта категория далее делится на подкатегории, в том числе:
Материал пружины сжатия
Пружины сжатия обычно изготавливаются из пружинной стали, которая является разновидностью стали с высоким пределом текучести. Это позволяет им сохранять свою первоначальную форму, размер и форму даже при крайней деформации. Следовательно, эти стали имеют большое пространство упругих деформаций под напряжением. Это происходит на молекулярном уровне, поэтому состав этих сталей оказывает существенное влияние на их эластичность.
Вообще говоря, пружинная сталь содержит углерод и марганец, а также никель, хром, молибден, олово, ванадий, медь, железо, вольфрам и алюминий. Пружинная сталь классифицируется официальным ASTM на основе предела текучести и твердости, поэтому разные составы материалов могут подходить для разных применений. Например, ASTM A228 используется для фортепианных струн, содержащих 0,7% -1% углерода и 0,2% -0,6% марганца, с максимальным выходом прочностью 530 мегапаскалей и пределом прочности 400 мегапаскалей.
Характеристики пружин сжатия
В этом разделе я сосредоточусь на представлении невитых винтовых пружин, поскольку эти пружины являются наиболее широко используемыми пружинами сжатия. Эти пружины имеют определенные характеристики, которые имеют большое значение для их работы. Внешний диаметр (D) относится к диаметру цилиндра, образованного пружиной, если смотреть сверху. Диаметр витка относится к толщине (d) пружинной проволоки, которая также имеет цилиндрическую форму. Свободная длина (L) относится к общей длине пружины без какого-либо сжатия, тогда как эффективная спираль (na) и общая спираль (n) представляют собой количество витков, которые накапливают и высвобождают механическую энергию, а также количество витков шины ( как минимум два предназначены для конца/основания пружины). Еще одним важным морфологическим признаком является направление вращения, которое может быть левым или правым.
Сила, действующая на пружину, пропорциональна ее удлинению — закон, предложенный Робертом Гуком в 1676 году, всего через несколько лет после применения первой пружины. Гук представил миру эту формулу. «F=- kx», где F — сила пружины, x — расстояние растяжения, а k — жесткость пружины. Каждая пружина уникальна и определяется производителем путем экспериментов или пользователем с помощью формул. K=Gd4/[83dna]. Как уже говорилось ранее, бочкообразные и конические витки являются нелинейными пружинами, поэтому на них не распространяется закон Гука. Закон Гука не применяется к пружинам, которые уже деформировались или превысили общий предел упругости.
Сила полностью сжатой пружины
Чтобы рассчитать силу полностью сжатой пружины, мы можем использовать эту формулу. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E — модуль Юнга, d — диаметр стальной проволоки, L — свободная длина, n — количество эффективных спиралей/витков, ν — коэффициент Пуассона, а D — внешний диаметр. Очевидно, что некоторые из них определяются выбранной конструктором сталью, а другие – формой, формой и размером пружины.
Рекомендации по проектированию
При проектировании пружины сжатия первое, что нужно решить, это какой материал вы хотите использовать. Затем найдите модуль сдвига (G) и предел прочности (TS) по таблице данных. Эти два фактора имеют решающее значение для определения процента напряжения, например, при расчете требований к нагрузке (100* σ/ Рассчитайте степень сжатия пружины при воздействии определенной нагрузки на основе прочности на растяжение.
Еще одним важным фактором является диаметр пружины при сжатии до максимальной точки. Спиральные пружины сжатия имеют тенденцию увеличиваться в диаметре во время сжатия. Поэтому важно рассчитать это расширение по формуле «расширение={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}».
Индекс пружины важен, и конструкторы стараются поддерживать его в диапазоне от 4 до 10. Его метод расчета — «C=(Dd/d)», который дает хорошее представление о соотношении проволоки Толщина соответствует диаметру пружины. Это определит общую прочность пружины (чем меньше, тем прочнее, а чем больше, тем легче сжать).
