Fjedre

Fjedre er en af de grundlæggende grupper af maskinelementer, sammen med skruer, lejer, bøsninger osv. Fjedre anvendes i mange mekaniske systemer, der har en indbygget relativ bevægelse mellem komponenter.

Tekniske oplysninger om fjedre

Da bevægelsen i de fleste tilfælde er forbundet med det mekaniske systems primære funktion, er fjederen en vital del af hele funktionen. “It won’t do a thing, if it ain’t got that spring”, hvis vi omskriver et af Duke Ellingtons hits.

En fjeder kan have mange geometriske former. En fjeder er en komponent, der deformeres elastisk under en mekanisk belastning, og hvor forholdet mellem elastisk deformation og belastning er vigtigt.

Forholdet mellem belastning og afbøjning kaldes fjederkarakteristik eller fjederhastighed. Når mekaniske systemer udvikles, og der opstår et behov for en fjederfunktion, definerer vi kravet til forholdet mellem belastning og deformation.

Fjedertypen og dens geometri vælges ud fra det geometriske rum, der er tilgængeligt for fjederfunktionen, sammen med hensyntagen til pålidelighed og omkostninger. Der er nogle fjedertyper, der har vist sig at være omkostnings- og pladseffektive måder at realisere visse fjederfunktioner på. Spiralformede spoledred, skivefjedre og bølgefjedre bruges normalt til aksiale kompressionsbelastninger, og hver af dem har deres eget sortiment af kraftafbøjningsrelation, hvor de giver den mest pladseffektive løsning.

Det er ens for roterende afbøjning, hvor spiralformede torsionsfjedre, fjedre, torsionsstænger eller strømfjedre hver har deres eget optimale udvalg af moment-afbøjning forhold. Men en komponent, der har en indbygget fjederfunktion, kan have stort set enhver form. Tråd og ark kan dannes til komplicerede former og mange sådanne komponenter har mere end én funktion, hvoraf kun én er en fjederfunktion.

Trykfjedre

Der er et par forskellige typer af fjedre, hvor kraften stiger, når aksial længde falder, men spiralformede trykfjedre er den mest almindelige foråret type af alle, og de er derfor ofte omtales som bare “trykfjedre”. Også inden for gruppen spiralformede trykfjedre, er der en række geometriske former. Fælles for alle er, at en ledning dannes til en spiralformet form, hvor coiling radius og hældning kan variere med spole position. Belastningen indføres i fjederen i endespolerne, som normalt er lukket, hvilket betyder, at hældningsvinklen reduceres så meget som muligt i de to ender. Enderne af fjederen er i de fleste tilfælde formalet, hvilket centrerer belastningen i fjederen og giver en symmetrisk afbøjning af spolerne.

 
 

Mest almindelige er den lineære, cylindriske trykfjedre, der har en konstant spole diameter. Banen er også, bortset fra de lukkede ende spoler, konstant. En cylindrisk, progressiv trykfjeder er designet med forskellig hældning i forskellige dele af fjederen. Koniske trykfjedre er ofte designet til at muliggøre kompression til en højde svarende til tråddiameteren.

Belastningsafbøjningskarakteristikken er normalt progressiv, men banen kan varieres for at give et tæt på lineær belastningsafbøjningsforhold. Spolediameteren kan også være som at give en tønde eller timeglas form, som giver egenskaber, der kan ønskes i visse applikationer.

Fjederreder er en måde at minimere den nødvendige plads til fjederfunktionen. To eller tre trykfjedre er designet til at passe ind i hinanden, hvilket betyder, at det ellers tomme rum inde i fjederens indre diameter også bruges. Spoleretningen skiftes til højre og venstre mellem fjedrene.

Cirkulær wire tværsnit dominerer, men det kan også være firkantet, rektangulære, elliptiske. Den aksiale afbøjning af en trykfjeder giver torsionsbelastninger i trådens tværsnit. Alle typer spiralformede trykfjedre kan teoretisk behandles med anvendelse af semi-analytisk metode, så længe belastningen er aksial. Detaljeret analyse af andre afbøjningsmetoder kræver ikke-lineær FE-analyse.

Trækfjedre

Trækfjedre er spiralformede spole fjedre, hvor kraften stiger med stigende længde. Fra en stress analyse synspunkt, er de meget lig spiralformet trykfjedre. Den modsatte lastretning kræver dog nogle særlige kendetegn.

Enderne af en forlængelse fjeder nødt til at overføre en forlængelse kraft. Den mest almindelige løsning af enderne er at bøje ledningen ved fjederenderne til en form, der passer til formen. Dette kan være en åben krog eller en lukket sløjfe, kan det placeres til at centrere kraften langs fjederaksen eller få det out-of-center, kan højden og diameteren af løkken varieres inden for grænserne for fremstilling.

Denne form for integreret ende i trækfjeder bliver ofte det svageste led i kæden, hvis fjederen bruges i en dynamisk applikation med mange belastningscyklusser.

Dette skyldes en stresskoncentration og en ugunstig restbelastningsfordeling i svinget, der er nødvendig for krogen. Til meget dynamiske applikationer skal dette overvejes i designet, men i stedet for at designe den komplette fjeder med de lave spændingsniveauer, der er nødvendige for, at krogen kan overleve, anvendes der ofte løsninger med separate endebeslag.

 
 

Spolerne er normalt viklet stramt og med en indledende spænding kraft. Fjederen begynder at afbøje først, når den ydre kraft er større end den oprindelige spænding. Den indledende spænding reducerer installationslængden for fjederen sammenlignet med en fjeder uden indledende spænding. Indledende spænding er ikke muligt i trækfjedre, der er hærdet og hærdet efter opringning. Der er også fjederkrav, der favoriserer en trækfjeder uden indledende spænding og mellemrum mellem spolerne.

Torsionsfjedre

Spiralformede torsionsfjedre anvendes til rotationsbevægelser og frembringer et drejningsmoment, når det afbøjes. I mange applikationer er dette drejningsmoment snarere brugt som en kraft, som derefter svarer til drejningsmomentet delt med håndtaget arm, som er den vinkelrette afstand mellem den fungerende linje af kraften til midten af foråret. Nogle fjedre, der har form af en spiralformet torsion kan teoretisk bedre behandles som wire former.

Belastningen indføres i fjederkroppen gennem ben, som kan have et stort udvalg af former. De grundlæggende typer af benene er dog tangential, radial eller aksial. Tangential ben er de enkleste, hvor benene blot følge tangenten på det punkt, hvor den oprullede foråret kroppen ender. Radiale ben er enten radiale indadgående eller radiale udad. Enhver retning mellem tangentielle og radiale ben er naturligvis også muligt, ligesom benene er bøjet mere end 90°. Flere bøjninger på benene er også mulige og almindelige.

Som for alle torsionsfjedre indføres belastningen ideelt i fjederen som et moment i stedet for med en punktkraft. Det betyder, at afbøjningen og belastningerne fordeles mere jævnt i fjedermaterialet, hvis benene er fastgjort. En kraft par på benene giver bedre funktion og levetid af fjederen i forhold til en enkelt kraft.

Kolde snoede torsionsfjedre har resterende stress fra spole, og dette giver dem en højere elastisk grænse, hvis de opererer i den op-snoede retning i forhold til un-snoede retning. De samles ofte på en mandrel (selvom det ikke er nødvendigt, hvis benene er ordentligt fastgjort), og det skal sikres, at diameteren falder under belastning i opadviklet retning ikke forhindres af mandrel. Hvis det sker, vil benene være den eneste del af fjederen, der kan afbøjes, og den overbelastning, der resulterer, vil føre til fjederfejl. Det samme vil ske, hvis det aksiale rum ikke er tilstrækkelig til længdeforøgelsen som følge af belastning i opadviklet retning.

Materialet i en spiralformet torsionsfjeder understreges i bøjning. Analytiske metoder implementeret i edb-programmer bruges normalt til at forudsige drejningsmoment-afbøjning karakteristisk og understreger. Disse metoder er baseret på den antagelse, at belastninger indføres som drejningsmoment eller par, og at bøjningsbelastningen er symmetrisk fordelt i fjederen. Benene bidrager med en stor del af afbøjningen for fjedre med få spoler og/eller lange ben, og dette skal derefter tages i betragtning i beregningerne.

Faconfjedre

Faconfjedre kan have stort set enhver form for geometri, så længe det er muligt at fremstille. De har ofte en integreret fjederfunktion, men andre funktioner – såsom låsning af andre komponenter under montering – er integreret i samme faconfjeder.

Fjederfunktionen kan være forholdsvis enkel og ikke sjældent forbundet med samling og demontering af andre komponenter.

 
 

Stresstilstanden i materialet fra dets fjederfunktion bøjes normalt. Da geometri- og grænseforholdene ofte er komplicerede, kræver belastningsafbøjningskarakteristikken ofte, at der bestemmes en FE-analyse. I de fleste tilfælde er designet af faconfjedre et resultat af diskussioner mellem kunden og vores teknikere, efterfulgt af prøver i forskellige trådstørrelser for at afgøre, hvilken størrelse der giver de rigtige belastningsafbøjningsegenskaber, alternativt den ønskede “følelse”.

Harvepinde

Harvepinde har deres navn efter deres anvendelse i landbruget, hvor de bruges til jordbehandling eller høhøstning. Fra et fjeder synspunkt, har de form af en torsionfjeder med lange ben som kendetegnende træk. De fleste fjedertænder er dobbelt torsionsfjedre, hvilket betyder, at hver tand har to oprullede fjederkroppe (en højre og en venstre hånd).

 
 

I fjederdesign, skal det tages i betragtning, at belastningen er snarere en lineær afbøjning af benet spidsen forårsaget af en punkt belastning, snarere end en rotation og et drejningsmoment.

Harvepinde udsættes for meget dynamisk belastning. Belastningsspektret er i sagens natur uforudsigeligt, så design skal udføres i betragtning af de maksimale dynamiske belastningscyklusser og med en sikkerhedsmargen.

Torsion Bar Fjedre

En torsion bar fjedre er i sin enkleste form den geometrisk enkleste af alle fjedertyper. Den aktive del af torsion bar fjedre er derefter en lige ledning, og enderne kan bøjes 90 for at gøre det muligt at overføre et drejningsmoment til torsion bar fjedre. Fjederhastigheden afhænger kun af trådens længde og materialekvalitet og tværsnit.

 
 

Denne type torsionsfjedre er velegnet, hvis radialdimensionen skal minimeres, men der er plads til rådighed i aksial retning.

Tallerkenfjedre

Tallerkenfjedre – også kaldet Bellevillefjedre – hører til den type trykfjedre. De har form af en aksalt symmetrisk, hul kondisk disk, hvis kegle vinkel er reduceret, når den er lastet med en aksial kraft. Belastningerne i materialet vil være normale belastninger i skivens omkredsretning; trykbelastninger på den konvekse side og trækspændinger på den konkave side.

Tallerkenfjedre er ofte et bedre alternativ end spiralformet trykfjedre i applikationer, hvor kræfterne er høje og afbøjninger relativt små. Hvis den radiale plads, der er til rådighed, er lille, taler dette også for skivefjedre. Skive fjedre kan bruges som enkelt skive, men det er mere almindeligt, at de er stablet. Stabling kan enten være i serie, hvilket øger afbøjning, eller parallelt for at øge kraften. Kombineret parallel og seriel stabling er også mulig.

Tallerkenfjedre og stakke af skive fjedre har en lidt degressiv kraft-afbøjning karakteristisk, hvilket betyder, at fjederens sats falder med afbøjning. Hvor udtalt denne effekt er afhænger hovedsageligt af forholdet mellem kegle højde og tykkelse.

Tallerkenfjedersdimensioner er standardiserede i EN 16983, og det er ofte muligt at finde en løsning med den ønskede fjederkarakteristik ved at stable standardiserede skiver. Kundespecifikke dimensioner er også mulige. I EN 16983 er skiver opdelt i tredimensionelle serier, hvor Serie A har et lavt forhold mellem keglehøjde og tykkelse og derfor har en næsten lineær kraft-afbøjningskarakteristik. Serie C er klart degressive skiver og Serie B mellem disse to. Serie A er også stivere skiver (høj kraft og lav afbøjning), Serie C er det modsatte.

EN 16983 skiver er også opdelt i tre grupper afhængigt af materialetykkelsen og de tilsvarende krav til fremstillingsprocessen. Gruppe 1 er skiver med en tykkelse på under 1,25 mm og gruppe 2 fra 1,25 til 6 mm tykkelse. Gruppe 3 er skiver med en tykkelse på over 6 mm. Gruppe 1 og 2 er ret ens fra et brugerperspektiv. Gruppe 3-skiver har flade kontaktflader på det sted, hvor der overføres kraft. Dette er for at øge kontaktområdet og mindske kontakttrykket mellem skiver og mellem skiver og de komponenter, der overfører kraften til tallerkenfjederstakken. Dette samkopierede kontaktområde har en bredde på kun ca. 1/150 af den ydre diameter. Ikke desto mindre giver det en øget foråret sats, som kompenseres ved fremstilling af skiver fra et materiale med reduceret tykkelse.

 
 

bølgefjedre

Bølgefjedre hører til gruppens kompressionsfjedre, hvor kraften øges med faldende længde. Bølgefjedre er lavet af fladvalset tråd, hvilket betyder et tæt på rektangulært tværsnit, men med naturligt afrundede kanter. Materialet er oprullet til en spiralformet form med en specificeret diameter og antal spoler, men derudover får tråden en bølgeform langs dens længde. Bølgerne er tæt på sinusformet i deres form, og antallet af bølger pr. spole er typisk 3,5 eller 4,5, men kan have andre værdier afhængigt af spolediameteren. Decimaltallet af bølger pr. spole er altid 0,5, fordi en bølgespids skal mødes og være i kontakt med bølgedalen i den næste spole.

En bølgefjeder er det bedste valg af kompressionsfjedertype i applikationen, hvor den plads, der er til rådighed til fjederfunktionen, har en torusform og er meget smal i radial retning, og der kræves relativt høje kræfter til små installationslængder. Bølgefjedre kan fremstilles med bølger også i enden spoler, som giver ingen døde spoler og en lav installationslængde. En flad ende spole (shimmed ende) nedsætter kontakttryk, men tilføjer en blind spole per ende og dermed øger installationen længde.

Bølgeskik kan enten være lukkede eller åbne. Lukket bølgevasker er fremstillet ved stansning fra ark eller strimmel materiale.

Åbne bølgeskiser er normalt oprullet fra fladvalset tråd på samme måde som bølgefjedre.

De belastninger i materialet i bølge fjedre og bølge skiver er bøjning understreger. Hver bølge fungerer som en stråle, der støttes ved kontaktpunkterne. Antallet af bølger pr. spole har derfor en stærk indflydelse på forårshastigheden, som stiger med den fjerde effekt af antallet af spoler pr. bølge.

Vibratorfjedre

Vibratorfjedre anvendes i kompression og fremstillet af materiale med rektangulært tværsnit. Materialet er oprullet til en konisk form med spolerne overlappende hinanden. Under kompression af vibratorfjedre, betydelig friktion kan forekomme mellem spoler og vibratorfjedre bruges ofte, når energi skal absorberes.

 
 

Store vibratorfjedre blev tidligere brugt i jernbanebuffere, men er blevet erstattet af ringfjedre i mange lignende applikationer. Dobbelt vibratorfjedre findes i haven beskæresakse og er oprullet fra en V-formet blank til at danne en fjeder, der er symmetrisk omkring sin aksiale centrum.

Materialet understreges primært i torsion, men stressfordelingen og den teoretiske behandling af vibratorfjedre er ret kompliceret.

urfjedre

Urfjedre er også torsionsfjedre og er direkte modsat torsionsstænger, hvis vi overvejer formen af den tilgængelige plads til foråret funktion, som vi øger afbøjning i et urfjedre ved at øge antallet af spoler, hvilket betyder, at radial plads skal være til rådighed. De er lavet af materiale med rektangulære tværsnit, som er enten fladvalset tråd eller kold eller varmtvalset strimmel.

 
 

Belastningen indføres i fjeder via ben, typisk en 90 indadgående bøjning på den indre radius, der er monteret i en slids i en aksel. For det ydre ben er der mulighed for flere variationer i benformen.

Med hensyn til spiralformet torsionsfjedre, en belastning introduktion gennem en kraft par handler på benene giver en langt bedre adfærd og dynamisk levetid for foråret i forhold til belastning introduktion som et punkt kraft alene.

Urfjedre formodes at fungere uden kontakt mellem spolerne og dermed uden indre friktion. Dette er kun muligt, hvis belastningen indføres i fjederen på en ordentlig måde, dvs via kraft par snarere end punkt kræfter. Når afbøjningen og antallet af spoler stiger, er det vanskeligt at undgå kontakt mellem spolerne, og vi bevæger os gradvist i retning af et design, der har flere ligheder med strømfjedre.

Power fjedre

Power fjedre er det navn, der anvendes til flade spiral fjedre med et stort antal arbejder sving. Den typiske anvendelse er til afvikling af elektriske kabler eller sikkerhedsseler. De har ligheder med fjedre, men strimlen længde og antallet af spoler er meget større og indre friktion er naturligt i magt fjedre, da spolerne er i radial kontakt med hinanden.

Belastningen introduktion i magt fjedre svarer til ur fjedre, med en radial indadgående ben på den inderste spole, der passer i en aksel som den mest almindelige design. Det ydre ben kan designes med større frihed, men en fast ydre ende og belastning introduktion gennem en kraft par giver en symmetrisk belastning fordeling i spolerne og den bedste adfærd og dynamisk liv i foråret.

Power fjedre kan enten konventionelt oprullet eller prestressed. Forspænding øger momentoutputtet og muliggør design med op til 50 arbejdssving, mens konventionelt oprullede fjedre har en grænse på omkring 20 arbejdssving. Dynamisk liv er dog mindre for forspændte fjedre.

Vi samler ofte powerfjedre i deres endelige kabinet under fremstillingen, alternativt levere dem med et midlertidigt hus, der frigives under monteringen i det endelige hus. En powerfjer skal altid forudindlæses et par omgange, og antallet af arbejdssving tælles fra denne forudlastede position. Mængden af forudindlæsning afhænger af designet. Start ved forbelastningspositionen er drejningsmomentets karakteristiske træk tæt på lineær op til et lastepunkt, der efterlader et par sving, før alle strimlen er stramme sårede omkring den indre diameter, og fjederen er i sin faste position.

Power fjedre kan også bruges som motor fjedre, hvor den ydre ende af strimlen er afviklet omkring en anden aksel. Hvis strimlen er afviklet i den modsatte retning fra sin frie form, kaldes det en B-motor. Mindre udbredt er A-motor fjedre, hvor strimlen er vind op i samme retning som sin naturlige form.

 
 

Konstantkraftfjedre

Konstantkraftfjedre er forlængelse fjedre, i den betydning, at kraften stiger med længden. Stigningen i kraft er dog meget lille, derfor navnet konstantkraftfjedre. De består af en tæt sår spole af strimmel materiale, som har fået en bøjning radius, der er konstant i hele længden af strimlen. Fjederen samles, så spolen kan rotere frit – enten på en aksel eller i en åbning – og den ydre ende af spolen trækkes ud.

 
 

Den kraft, der kræves for at trække den ydre ende ud, skyldes et drejningsmoment balance med bøjning øjeblik kræves for at rette strimlen fra sin naturlige bøjning radius. Der er en maksimal begrænsning for den maksimale kraft af en konstantkraftfjedre, men de kan arrangeres i serie og parallelt for at øge både kraft og rækkevidde. Samlinger kan også designes til at bruge fjederen som trykfjeder.

Strømpebåndfjedre

Strømpebåndfjedre bruges til at skabe en radialt indadgående kraft på en cirkulær geometri. En strømpebånd foråret er en cirkel, skabt ved at forbinde de to ender af en lige, oprullet spiralformet forår. Dimensionerne af den lige spiralformede fjeder er valgt for at opnå den ønskede kraft-afbøjning karakteristisk for den cirkulære strømpebåndfjedre.

 
 

Låseringe

Låseringe, der anvendes til at låse komponenter i aksial retning. De har en forlængelse i omkredsretning på mellem 270° og 360° og anvendes til enten indvendig montering i et hul eller en udvendig enhed på en aksel. Fjederkravet, som de skal opfylde, er ofte begrænset til at blive radialt udvidet eller indgået kontrakt til den maksimale eller minimale diameter, der kræves under monteringen. Denne udvidelse eller sammentrækning skal være inden for låseringens elastiske arbejdsområde.

Grater på enderne af en låsering kan være skadelig for de omkringliggende komponenter i forsamlinger sikret ved låseringe. Grater kan minimeres eller helt fjernes ved enten særlige skæreteknikker eller afgratning. Stresslindring efter opspoling er vigtigt for låseringe, der udvides under monteringen. Enhver plastisk deformation under montering vil føre til tab af låsekraft i forhold til det forventede.