Projektowanie sprężyn metalowych – część 1 „Podstawy” › Gutekunst Federn › Drehfedern, Druckfedern, Federauslegung, Federberechnung, Grundlagen, Konstruktion, Schenkelfedern, Zugfedern

Poniżej znajduje się podsumowanie podstaw dotyczących Wiosenny projekt z Sprężyny dociskowe , Sprężyny naciągowe i Sprężyny nóg .

Sprężyny techniczne są dziś nadal jednym z najważniejszych elementów maszyn i są z powodzeniem stosowane w pojazdach, precyzyjnych urządzeniach mechanicznych czy elektrotechnicznych, urządzeniach medycznych, sprzęcie AGD i wielu innych. Działanie całego urządzenia lub części maszyny zależy często od bezawaryjnej pracy metalowej sprężyny.

Sprężyny metalowe to elementy, które celowo odkształcają się pod obciążeniem i wracają do swojego pierwotnego kształtu po zdjęciu obciążenia. Dostarczona energia jest w Wiosenna praca (W) przekształca się i ponownie uwalnia w późniejszym czasie (magazyn energii). Jednak metalowe sprężyny niezawodnie wykonują to odkształcenie i pochłanianie energii tylko w granicach przewidzianych do tego celu. Dlatego jest właściwy Wiosenny projekt i Obliczenia sprężyny ważny składnik doskonale działającej metalowej sprężyny.

Charakterystyka sprężyny

Sprężyny metalowe lub techniczne wykonujemy według Państwa Charakterystyka wiosny oceniał. Ta charakterystyka sprężyny reprezentuje zależność Siła sprężyny (F) przedstawia skok (y) sprężyny. Ponieważ w zależności od tego, która charakterystyka sprężyny jest wymagana (liniowa, progresywna, degresywna lub kombinowana), zmienia się również kształt i typ sprężyny.

Dzięki Wiosenna stawka (R) charakterystyka sprężyny jest określona na schemacie sprężyny. Współczynnik sztywności (R) jest zatem ważną wartością przy projektowaniu sprężyny dla właściwej sprężyny. W liniowa charakterystyka sprężyny sztywność sprężyny jest stała. Sprężyny o zakrzywionej charakterystyce sprężyny mają zmienną sztywność. Dlatego do charakterystyki liniowej mają zastosowanie następujące wzory:

do sprężyn naciskowych i naciągowych

$R=\frac<wpml_curved wpml_value='F2-F1'></wpml_curved><wpml_curved wpml_value='s2-s1'></wpml_curved>$

do nóg i sprężyn skrętnych

$R_<wpml_curved wpml_value='M'></wpml_curved>=\frac<wpml_curved wpml_value='M2-M1'></wpml_curved>{\alpha2-\alpha1}$

Wiosenna praca

Gdy metalowa sprężyna jest naprężona, praca jest wykonywana, która jest następnie ponownie zwalniana po zwolnieniu naciągu. Praca sprężyny (W) zawsze jest obszarem poniżej charakterystyki sprężyny. W przypadku liniowej charakterystyki sprężyny obowiązuje:

do sprężyn naciskowych i naciągowych

$W=\frac<wpml_curved wpml_value='1'></wpml_curved><wpml_curved wpml_value='2'></wpml_curved>F\cdot s$

do sprężyn skrętnych

$W=\frac<wpml_curved wpml_value='1'></wpml_curved><wpml_curved wpml_value='2'></wpml_curved>M\cdot \alpha$

Obliczając wartość użytkową objętości, można określić różne typy sprężyn na podstawie współczynnika pracy sprężyny (W) i przestrzeń montażową (V) porównaj ze sobą:

$\eta_<wpml_curved wpml_value='A'></wpml_curved>=\frac<wpml_curved wpml_value='W'></wpml_curved><wpml_curved wpml_value='V'></wpml_curved>$

Histereza

Na zachowanie zawieszenia może wpływać tarcie zewnętrzne. Te siły tarcia utrudniają powrót sprężyny. W przypadku obciążeń przemiennych jest to wyrażone w postaci a Pętla histerezy . Część pracy sprężyny jest zamieniana na ciepło w wyniku tarcia, a następnie „tracona”. Ponieważ jest to niepożądane w przypadku stosowania sprężyn, wszelkie tarcie należy zaplanować zgodnie z układem i Kształt piór być unikanym.

Stalowe sprężyny z pętlą histerezy — Pętla histerezy tarcia

Relaks

Na przykład, jeśli używana jest sprężyna naciskowa podwyższona temperatura jest ściskany do określonej długości między równoległymi płytami, można stwierdzić, że Siła sprężyny stopniowo maleje z czasem. Ta utrata siły wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i napięcia.

Relaks materiału to odkształcenie plastyczne, które objawia się utratą siły przy stałej długości montażowej. Jest to wyrażone jako procent siły wyjściowej F1:

$Relaxation=\frac{\Delta F\cdot 100}<wpml_curved wpml_value='F1'></wpml_curved>$

Poniższy diagram przedstawia podstawowy przebieg relaksacji i prędkość relaksacji:

Grafika relaksacyjna - Gutekunst Federn — Przebieg w czasie rozluźnienia i prędkość relaksacji w śrubowych sprężynach naciskowych

Wartości relaksacji po 48 godzinach uważa się za wartości charakterystyczne, chociaż relaksacja nie jest jeszcze w tym momencie całkowicie zakończona. Diagramy relaksacji zależnej od materiału można znaleźć w normie EN 13906-1. Projektant powinien je uwzględnić tylko wtedy, gdy stawiane są wysokie wymagania co do stałości siły sprężyny. W obliczeniach wykorzystuje się relaksację w różnych stanach temperaturowych Program do obliczania sprężyn WinFSB firmy Gutekunst Federn, dostępny pod adresem www.federnshop.com , pokazane z.

Właściwy dobór materiału

Sprężyny metalowe musi pochodzić z odpowiedniego materiał wyprodukowane i zaprojektowane i zaprojektowane tak, aby po usunięciu przyłożonego obciążenia odzyskały swój pierwotny kształt. Ta właściwość jest wyrażona w moduł sprężystości oraz w module przesuwnym. Te Parametry materiałowe wyrażają zależność między napięciem a wydłużeniem i powinny mieć możliwie najwyższą wartość.

Ponadto materiały sprężynowe powinny:

wysokie limity elastyczności, czyli duży, czysto elastyczny zakres,
odpowiednie napięcia również przy podwyższonych temperaturach wytrzymać bez większej utraty siły (niski relaks),
mają dużą wytrzymałość zmęczeniową (drobnoziarnista struktura, wolna od zanieczyszczeń),
mieć wystarczającą odkształcalność,
mieć możliwie jak najbardziej śliską powierzchnię,
wytrzymują określone wymagania dotyczące ochrony antykorozyjnej,
przewodzić prąd elektryczny lub być niemagnetyczny.

Moduły sprężystości i poślizgu różnych materiałów

materiał	Moduł sprężystości [N/mm²]	Moduł G. [N/mm²]
Opatentowany ciągniony drut ze stali sprężynowej zgodnie z EN 10270-1	206000	81500
Odpuszczany w oleju drut sprężynowy zaworowy zgodnie z EN 10270-2	206000	81500
Stal walcowana na gorąco zgodnie z EN10089	206000	78500
Taśma walcowana na zimno zgodnie z EN 10132	206000	78500
X10 CrNi 18 8 (1.4310)	185000	70000
X7 CrNiAl 17 7 (1.4568)	195000	73000
X5 CrNiMo 17-12-2 (1.4401)	180000	68000
CuSn6 R950 zgodnie z EN 12166	115000	42000
CuZn36 R700 zgodnie z EN 12166	110000	39000
CuBe2 zgodnie z EN 12166	120000	47000
CuNi18Zn20 zgodnie z EN 12166	135000	45000
CuCo2Be zgodnie z EN 12166	130000	48000
Inconel X750	213000	76000
Nimonic 90	213000	83000
Hastelloy C4	210000	76000
Stop tytanu TiAl6V4	104000	39000

Wpływ temperatury roboczej na dobór materiału

Zachowanie w podwyższonych temperaturach roboczych

Poziom temperatury pracy może znacząco wpływać na działanie sprężyny, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury wzrasta tendencja do relaksacji. Po przeanalizowaniu wykresów relaksacji można ustawić następujące temperatury graniczne dla najważniejszych materiałów sprężystych.

Ogranicz temperatury materiałów sprężystych przy minimalnym relaksacji

materiał	Maksymalna temperatura robocza w ° C przy
	wysokie obciążenia	niskie obciążenie
Opatentowany ciągniony drut ze stali sprężynowej zgodnie z EN 10270-1	60-80	80-150
Odpuszczany w oleju drut sprężynowy zaworowy zgodnie z EN 10270-2	80-160	120-160
X10CrNi 18,8 (1,4310)	160	250
X7CrNiAl 17,7 (1,4568)	200	350
X5CrNiMo 17-12-2 (1.4401)	160	300
CuSn6	80	100
CuZn36	40	60
CuBe2	80	120
CuNi18Zn20	80	120
Inconel X750	475	550
Nimonic90	500	500

Ponadto weź to, co ważne dla funkcji sprężyny Właściwości materiału moduł sprężystości a moduł ścinania zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Zarówno moduł sprężystości na ścinanie, jak i moduł sprężystości wyznacza się w wyższej temperaturze przy użyciu następującego wzoru, przy czym za podstawę służą parametry materiału w temperaturze pokojowej (20 ° C).

$G_<wpml_curved wpml_value='t'></wpml_curved>=G_<wpml_curved wpml_value='20'></wpml_curved>=\frac<wpml_curved wpml_value='3620-T'></wpml_curved><wpml_curved wpml_value='3600'></wpml_curved>$

lub.

$E_<wpml_curved wpml_value='t'></wpml_curved>=E_<wpml_curved wpml_value='20'></wpml_curved>=\frac<wpml_curved wpml_value='3620-T'></wpml_curved><wpml_curved wpml_value='3600'></wpml_curved>$

Umożliwia to projektantowi określenie rzeczywistych sił sprężyn w oczekiwanej temperaturze pracy.

Zachowanie w niskich temperaturach roboczych

W przypadku stosowania w układach chłodzenia w kosmosie lub gdy jest bardzo zimno zimą, należy wytrzymać temperatury sięgające – 200 ° C. Pomimo wzrostu Wytrzymałość na rozciąganie niskie temperatury mają niekorzystny wpływ, ponieważ twardość materiałów spada i mogą wystąpić kruche pęknięcia. Nierdzewne stale sprężynowe, a także stopy miedzi i niklu są preferowane niż opatentowane druty sprężynowe i druty sprężyn zaworowych, gdy są używane w niskich temperaturach. Poniższa tabela przedstawia temperatury graniczne.

Zalecenia dotyczące stosowania w niskich temperaturach

materiał	Minimalna temperatura robocza w ° C
Opatentowany ciągniony drut ze stali sprężynowej zgodnie z EN 10270-1	-60
Odpuszczany w oleju drut sprężynowy zaworowy zgodnie z EN 10270-2	-60
X10CrNi 18,8 (1,4310)	-200
X7CrNiAl 17,7 (1,4568)	-200
X5CrNiMo 17-12-2 (1.4401)	-200
CuSn6	-200
CuZn36	-200
CuBe2	-200
CuNi18Zn20	-200
Inconel X750	-100
Nimonic90	-100

Zastosowanie systemów sprężynowych

Ze względów konstrukcyjnych możliwe jest również użycie kilku sprężyn do absorbowania sił i ruchów. Prosty Systemy sprężynowe są Równolegle – i Połączenia szeregowe .

Grafika systemów sprężynowych - Gutekunst Federn — Systemy sprężynowe a) połączenie równoległe, b) połączenie szeregowe, c) Obieg mieszający

za) Połączenie równoległe

Sprężyny są rozmieszczone w taki sposób, że obciążenie zewnętrzne (F) jest proporcjonalnie podzielone między poszczególne sprężyny, ale droga poszczególnych sprężyn jest taka sama. Wynika z tego:

$s=s1=s2=s3=...$ (Całkowity skok zawieszenia)

$F=F1+F2+F3+...$ (Całkowita siła sprężyny)

$R=R1+R2+R3+...$ (Całkowita sprężystość)

Sztywność całego systemu połączenia równoległego jest zawsze większa niż sztywność poszczególnych sprężyn

b) Połączenie szeregowe

Sprężyny są rozmieszczone jedna za drugą, tak że na każdą sprężynę działa ta sama siła, ale skok sprężyny jest podzielony między poszczególne sprężyny. To skutkuje:

$s=s1+s2+s3+...$ (Całkowity skok zawieszenia)

$F=F1=F2=F3=...$ (Całkowita siła sprężyny)

$R=\frac<wpml_curved wpml_value='1'></wpml_curved>{\frac<wpml_curved wpml_value='1'></wpml_curved><wpml_curved wpml_value='R1'></wpml_curved>+\frac<wpml_curved wpml_value='1'></wpml_curved><wpml_curved wpml_value='R2'></wpml_curved>+\frac<wpml_curved wpml_value='1'></wpml_curved><wpml_curved wpml_value='R3'></wpml_curved>+...}$ (Całkowita sprężystość)

Sztywność całego systemu połączenia szeregowego jest zawsze mniejsza niż sztywność poszczególnych sprężyn

do) Obieg mieszany

Kilka sprężyn jest połączonych równolegle i jedna za drugą. Ze względu na równowagę, R1 = R2 i R3 = R4 muszą być. W przedstawionym przypadku obowiązują następujące zasady:

$R=\frac<wpml_curved wpml_value='1'></wpml_curved>{\frac<wpml_curved wpml_value='1'></wpml_curved>{R1+R2}+\frac<wpml_curved wpml_value='1'></wpml_curved>{R3+R4}+...}$ (Całkowita sprężystość)

Sztywność całego układu pokazanego obwodu mieszającego zawiera się pomiędzy najmniejszą a największą sztywnością poszczególnych sprężyn!

W drugiej części serii informacyjnej „ Projektowanie sprężyn metalowych – Część 2 „Obliczenia „zapewniamy parametry obliczeniowe dla Weryfikacja funkcji i wytrzymałości the Sprężyny dociskowe , Sprężyny naciągowe i Sprężyny nóg z przodu.

Jeśli potrzebujesz indywidualny projekt sprężyny po prostu wyślij nam e-mailem kluczowe dane dotyczące metalowej sprężyny, której potrzebujesz technik@gutekunst-co.com skontaktuj się z naszym działem technologicznym telefonicznie pod numerem (+49) 035 877 227-11 lub zadzwoń pod numer www.federnshop.com the Program do obliczania sprężyn Gutekunst WinFSB do swobodnego obliczania sprężyn naciskowych, naciągowych i skrętnych.

Dodatkowe informacje: