Odpowiednia metalowa sprężynaWybór właściwej sprężyny metalowej do danego zastosowania nie zawsze jest łatwy. W wielu książkach technicznych z podstawami konstrukcji temat sprężyn jest poruszany w sposób bardzo ogólny.

Jeśli szukasz standardowej sprężyny, znajdziesz szeroki zakres sprężyn w naszym programie magazynowym z 12.600 rozmiarami ze stali miękkiej i stali nierdzewnej. Jeśli nie, to poniżej zebraliśmy najważniejsze parametry doboru odpowiedniej sprężyny metalowej.

Na początek krótki przegląd różnych rodzajów piór:

Sprężyny dociskowe

Sprężyny ściskane są zdecydowanie najczęściej stosowane. Wynika to nie tylko z kierunku przyłożenia siły, ale przede wszystkim z lepszej charakterystyki obciążenia sprężyny ściskanej. Wynika to z faktu, że sprężyny ściskane lepiej radzą sobie z większymi siłami, a w zastosowaniach zmęczeniowych ze zmianami obciążenia powyżej107. Oprócz dużego wyboru materiałów do różnych zastosowań, różnorodność zastosowań sprężyn ściskanych może być łatwo rozszerzona o szeroki zakres obróbki powierzchni. Ze względu na właściwości użytkowe sprężyny ściskanej, w niektórych przypadkach bardziej sensowna jest zamiana sprężyny naciągowej na ściskaną.

Sprężyny naciągowe

Sprężyny naciągowe są drugim najczęściej stosowanym rozwiązaniem. Wszędzie tam, gdzie siła musi być przyłożona raczej przez rozciąganie niż ściskanie, nie da się obejść sprężyny naciągowej. W szczególności, specjalna konstrukcja z obustronnymi oczkami stwarza pewne ryzyko, które musi być uwzględnione w konstrukcji sprężyny naciągowej. Przy stosowaniu sprężyny naciągowej należy również wziąć pod uwagę fakt, że w przypadku pęknięcia sprężyny traci ona całkowicie swoją siłę sprężystości. Różnorodność zastosowań sprężyny naciągowej została już w dużym stopniu wyczerpana poprzez wybór materiału, ponieważ przylegające do siebie zwoje powodują, że obróbka powierzchniowa jest możliwa tylko przy zwiększonym nakładzie pracy.

Schenkelfedern

Sprężyny skrętne stosowane są do ruchów obrotowych, czyli wszędzie tam, gdzie występują naprężenia zginające. Nie ma specjalnych konstrukcji dla sprężyn skrętnych, tzn. korpus sprężyny skrętnej jest zawsze cylindryczny z liniową charakterystyką sprężyny. W przypadku sprężyn nóg chodzi raczej o indywidualny kształt nogi, która jest optymalnie ukształtowana, aby wprowadzić siłę ruchu obrotowego. Podobnie jak w przypadku sprężyny rozciągliwej, również w przypadku sprężyny skrętnej trudno jest nadać jej dalsze właściwości poprzez późniejszą obróbkę powierzchniową ze względu na przylegające zwoje.

Określenie charakterystyki sprężyny

Charakterystyka sprężyny
Charakterystyka sprężyny

Zasadniczo sprężyny metalowe są oceniane na podstawie ich krzywej charakterystycznej. Charakterystyka spręży ny to charakterystyka spręży n metalowych. Stanowi to stosunek siły sprężyny „F” do skoku sprężyny „s”. W zależności od typu sprężyny, konstrukcji sprężyny, rozstawu zwojów i systemu sprężyn można wygenerować charakterystyki liniowe, progresywne, degresywne lub kombinowane. W przypadku charakterystyki liniowej (Rys. b: sprężyna cylindryczna) siła jest dostarczana równomiernie, w przypadku charakterystyki progresywnej (Rys. a: sprężyna stożkowa) rozwój siły wzrasta wraz ze wzrostem obciążenia, a w przypadku charakterystyki degresywnej (Rys. c: sprężyna talerzowa) rozwój siły maleje wraz z obciążeniem.

Rysunek d: Charakterystyka sprężyny zespolonej
Rysunek d: Charakterystyka sprężyny zespolonej

W przypadku charakterystyki sprężyny kombinowanej (Rys. d: charakterystyka 5), wzdłuż charakterystyki sprężyny odwzorowane są różne stany sił. Ta kombinowana charakterystyka sprężystości może być generowana za pomocą systemów sprężystych.

Wymagania dotyczące sprężyny metalowej

Po podjęciu decyzji o charakterze sprężyny metalowej z krzywą charakterystyki sprężyny lub krzywą siły, następujące wymagania muszą być wyjaśnione i określone dla optymalnego projektu sprężyny metalowej:

  1. Rodzaj obciążenia i żywotność
  • Obciążenie statyczne lub quasi-statyczne o czasowo stałym (statycznym) lub czasowo zmiennym obciążeniu o łącznej liczbie cykli obciążających mniejszej niż 10 000 lub naprężeniu skoku do 0,1 x wytrzymałość skoku ciągłego.
  • Obciążenie dynamiczne zmiennym w czasie ładunkiem o łącznej liczbie cykli przekraczającej 10.000 oraz naprężenia przy podnoszeniu powyżej 0,1 x ciągła wytrzymałość na podnoszenie. W tym procesie, metalowa sprężyna jest zwykle instalowana wstępnie napięta i poddawana okresowemu obciążeniu spęczniającemu o sinusoidalnej krzywej, które występuje losowo, jak w przypadku zawieszenia samochodowego, na przykład. Może to również prowadzić do gwałtownych zmian sił. Do obciążeń dynamicznych nadają się głównie sprężyny ściskane, a czasami sprężyny naciągowe z wkręcanymi końcówkami sprężyn.
  1. Temperatura robocza
Graficzny proces relaksacji
Proces relaksacji

Temperatura pracy ma decydujący wpływ na wybór odpowiedniego materiału. Z tego powodu istnieją preferowane stale sprężynowe do zastosowań niskotemperaturowych i wysokotemperaturowych. Szczególnie w przypadku zastosowań wysokotemperaturowych, przy projektowaniu sił należy uwzględnić relaksację materiału sprężyny. Przy stałym naprężeniu i wyższych temperaturach następuje utrata siły, która wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i czasem trwania obciążenia.

  1. Otoczenie średnie

W jakim środowisku stosowana jest sprężyna metalowa? Czy sprężyna musi być odporna na korozję lub agresywne kwasy? Czy jest on stosowany w przemyśle spożywczym, czy musi być czysty medycznie? Wszystkie te kwestie mają wpływ na wybór drutu ze stali sprężynowej i ewentualną końcową obróbkę powierzchni.

  1. Wymagane siły sprężyny i ugięcia sprężyny

Siła sprężyny F1 przy s1 lub L1

Siła naprężonej sprężyny F2 przy s2 lub L2

Jakie siły sprężystości powinna generować sprężyna metalowa przy określonych skokach sprężyny? W większości przypadków sprężyny są instalowane jako wstępnie napięte, tzn. sprężyna już w stanie spoczynku wytwarza pewną siłę napinającą. Siła ta określana jest jako siła sprężyny wstępnie napiętej „F1”. W tym celu należy podać wymaganą siłę sprężyny, którą powinna ona osiągnąć w stanie naprężonym. Ta siła sprężyny opisywana jest jako siła sprężyny napiętej „F2”. Oprócz tych dwóch sił sprężyny, należy wyznaczyć odpowiednie ugięcia sprężyny „s1” i „s2” lub długości sprężyny „L1” i „L2”. Szczególnie w przypadku obciążeń dynamicznych ważny jest skok sprężyny „sh”, który opisuje skok sprężyny pomiędzy „s1” i „s2” lub pomiędzy „L1” i „L2”. Im mniejszy skok sprężyny, tym lepsza nośność dynamiczna sprężyny metalowej.

Wykres drgań sprężyna ściskana dynamiczna

  1. Istniejąca przestrzeń instalacyjna

Jakie są wymiary przestrzeni montażowej, w której ma być użytkowana sprężyna? Jaką średnicę i jaką długość może lub musi mieć sprężyna metalowa, aby można było ją zamontować? Te wymiary konstrukcyjne są warunkiem koniecznym do zaprojektowania odpowiednich sprężyn. Należy również uwzględnić wartości tolerancji dla poszczególnych wymiarów w stanie spoczynku i obciążenia.

  1. Sytuacja montażowa
Stalowe sprężyny z pętlą histerezy
Pętla histerezy

W tym celu należy sprawdzić sytuację montażową, w zależności od tego, czy mamy do czynienia ze sprężyną ściskaną, naciąganą czy skręcaną. Jeśli na przykład sprężyna ściskana jest prowadzona przez trzpień lub wewnątrz tulei, tarcie podczas pracy sprężyny musi być uwzględnione w pętli histerezy. Jeśli sprężyna ściskana jest montowana bez prowadnicy, należy wziąć pod uwagę różne granice wyboczenia dla różnych łożysk końcowych spręży ny. Z drugiej strony, w przypadku sprężyn rozciągliwych ważne jest miejsce zaczepienia oczek. Dlatego optymalne przyłożenie siły dla sprężyn rozciągliwych jest centryczne na obu oczkach wzdłuż osi podłużnej sprężyny. Bardzo często oczka są również rozmieszczone z boku. Musi to być odpowiednio uwzględnione w konstrukcji sprężyny. W przypadku sprężyn nóg, kształt nogi i kierunek zwijania muszą być dostosowane do sytuacji montażowej. Ponadto, w przypadku sprężyn skrętnych ważne jest, aby były one obciążane tylko w kierunku zwoju.

Łożyska sprężynowe

  1. Pole tolerancji

Na koniec należy wziąć pod uwagę strefę tolerancji danego typu sprężyny. Dzieje się tak dlatego, że każda sprężyna metalowa jest produkowana w określonym zakresie tolerancji podczas produkcji, tak aby sprężyna była produkowana optymalnie dla danego zastosowania. Ta strefa tolerancji jest pokazana dla sprężyn metalowych w gatunkach 1, 2 i 3. Zazwyczaj sprężyny metalowe produkowane są w gatunku 2, co odpowiada polu tolerancji do dziesięciu procent, szczególnie w przypadku mniejszych wymiarów sprężyn. Pole tolerancji jest najmniejsze dla gatunku 1, przy wyższych kosztach produkcji, a największe dla gatunku 3, przy niższych kosztach produkcji.

Wideoklipy

Najważniejsze parametry sprężyny w skrócie

Podsumowując, wszystkie ważne parametry sprężyny dla optymalnego doboru sprężyny i konstrukcji sprężyny metalowej:

Typ sprężyny

Sprężyna ściskana – Sprężyna rozciągana – Sprężyna skrętnaSystem sprężyn

Charakterystyka wiosny

liniowe – progresywne – degresywne – kombinowane

Rodzaj obciążenia i żywotność

statyczne – dynamiczne

Lifetime

Całkowita zmiana obciążenia (skoki sprężyny)

Temperatura robocza

Temperatura otoczenia, w której sprężyna jest używana

Otoczenie średnie

Ciecze, gazy … w którym umieszczona jest sprężyna

Siły sprężyny przy określonych skokach sprężyny lub długościach sprężyny

► wstępnie napięta siła sprężyny = F1 przy s1 lub L1

► siła naprężonej sprężyny = F2 przy s2 lub L2

F1 wstępnie napięta siła sprężyny w N

s1 Wstępnie obciążony skok sprężyny lub L1 Wstępnie obciążona długość sprężyny

F2 siła naciągu sprężyny w N

s2 skok sprężyny napięty lub L2 długość sprężyny napięta

Istniejąca przestrzeń instalacyjna

► Długość i szerokość przestrzeni montażowej

► Długość sprężyny pomiędzy punktami przyłożenia siły

Sytuacja montażowa

dla sprężyn ściskanych

► Prowadzenie przez trzpień i/lub tuleję

Bez prowadnicy przestrzegać granicy wyboczenia łożyska ślizgowego sprężyny

dla sprężyn naciągowych

Zastosowanie siły scentralizowane lub zdecentralizowane

► Pozycja oczek (kąt skręcenia oczek względem siebie) i pozycja oczek (centrycznie/bocznie)

dla sprężyn skrętnych

Kształt nóg zapewniający optymalne pochłanianie siły

Kierunek uzwojenia ładunku

Sprężyny metalowe o liniowej charakterystyce sprężynowania, z materiałów sprężynowych stal normalna EN 10270-1 i stal nierdzewna EN 10270-3-1.4310, można znaleźć w katalogu sprężyn Gutekunst w 12.600 rozmiarach. W przypadku wszystkich zastosowań sprężyn nieliniowych prosimy o przesłanie wymaganych parametrów sprężyn na adres order@gutekunst-co.com lub skorzystanie z formularza zapytania ofertowego Gutekunst.

Powiązane linki:

Odpowiednia metalowa sprężyna