Jouset
Jouset ovat yksi koneen osien perusryhmistä yhdessä kiinnikkeiden, laakereiden, holkkien jne. kanssa. Jousia käytetään useissa mekaanisissa järjestelmissä, joissa osien välinen suhteellinen liike on sisäänrakennettu.
Jousien tekniset tiedot
Koska liike on useimmiten liitetty mekaanisen järjestelmän primääritoimintoon, jousi on tärkeä osa koko toimintoa. Duke Ellingtonsin sanoja muokaten: ”It won’t do a thing, if it ain’t got that spring”.
Jousessa voi olla useita geometrisiä muotoja. Jousi on komponentti, joka muuttuu joustavasti mekaanisen kuorman alla. Jousen jäykkyyden ja kuormituksen suhde on tärkeä.
Suhdetta kuorman ja jousen jäykkyyden välillä kutsutaan jousivakioksi. Me määritämme kuorman ja jäykkyyden välisen suhteen vaatimukset, kun mekaanisia järjestelmiä kehitetään ja jousitarve ilmenee.
Jousen tyyppi ja sen geometria valitaan käytettävissä olevan geometrisen tilan, luotettavuuden ja kustannusten perusteella. Eri jousityypit ovat osoittautuneet kustannus- ja tilatehokkaiksi tiettyihin tarkoituksiin. Kierrejousia, lautasjousia ja aaltojousia käytetään yleensä aksiaalisissa puristuskuormissa, ja kullakin niistä on oma voima-jäykkyysuhde, ja ne sopivat täten eri tiloihin.
Myös vääntöjousilla, spiraalijousilla, vääntösauvoilla tai spiraalijousilla on oma optimaalinen vääntömomentin ja jäykkyyden suhde. Mutta komponentti, jolla on sisäänrakennettu jousitoiminto, voi olla käytännössä minkä vain muotoinen. Lanka ja nauha voidaan taivuttaa monimutkaisiin muotoihin, ja näillä osilla on yleensä useita toimintoja, joista vain yksi on jousitoiminto.
Puristusjouset
On olemassa muutamia erityyppisiä jousia, joissa voima kasvaa aksiaalipituuden laskiessa. Näistä yleisimpiä ovat kierrepuristusjouset, joita kutsutaan usein vain puristusjousiksi. Myös kierrepuristusjousien sisällä on monenlaisia geometrisiä muotoja. Lanka taivutetaan usein kaarevaan muotoon, jossa kierteiden säde ja korkeus voivat vaihdella kierteiden asennon mukaan. Paine kohdistuu jousien päätykierteisiin, jotka ovat normaalisti kiinni. Tämä laskee kallistuskulmaa mahdollisimman paljon molemmissa päissä. Jousien päät on useimmiten hiottu, mikä keskittää jousen kuormituksen ja aiheuttaa kierteiden symmetrisen taipumisen.
Yleisimpiä puristusjousia ovat lineaariset, lieriömäiset puristusjouset, joiden halkaisija on vakio. Myös kallistus on vakio suljettuja päätykierteitä lukuun ottamatta. Sylinterin muotoinen, progressiivinen puristusjousi on suunniteltu eri pituiseksi jousen eri osissa. Kartiomaiset puristusjouset on usein suunniteltu niin, että puristuskorkeus vastaa langan halkaisijaa. Ominaiskäyrä, jossa jousi taipuu kuormittaessa, on yleensä progressiivinen, mutta kallistuskulma voi vaihdella niin, että jäykkyyden ja kuormituksen suhde on lähellä lineaarista. Kierteen halkaisija voi myös olla esimerkiksi tynnyrin tai tiimalasin muotoinen, mikä mahdollistaa käytön eri tarkoituksia varten.
Jousikotelot minimoivat jousen toiminnan vaatiman tilan. Kaksi tai kolme puristusjousta on suunniteltu niin, että ne mahtuvat toistensa sisälle. Tämä mahdollistaa jousen sisällä olevan tyhjän tilan käytön. Jousien välinen kierre on käämitetty vuorotellen oikea- ja vasenkätisesti.
Langan poikkileikkaus on yleensä pyöreä, mutta se voi olla myös neliönmuotoinen, suorakulmainen, elliptinen jne. Puristusjousen aksiaalinen liike aiheuttaa langan poikkiosiin kohdistuvaa vääntörasitusta. Kaikkia kierrepuristusjousia voidaan käsitellä puolianalyyttisesti, kunhan kuorma on aksiaalinen. Jäykkyystilojen yksityiskohtainen analysointi edellyttää ei-lineaarista FE-analyysiä.
Vetojouset
Vetojouset ovat kierrepuristusjousia, joissa voima kasvaa pidentämällä jousen pituutta. Stressianalyysin näkökulmasta ne ovat hyvin samanlaisia kuin puristusjouset. Vastakkainen lastaussuunta määrittelee jouselle kuitenkin joitain erilaisia ominaispiirteitä.
Vetojousen päiden on saatava aikaan vetojännitys. Yleisin ratkaisu on taivuttaa jousen päässä oleva lanka sopivaan muotoon. Muoto voi olla avoin koukku tai suljettu lenkki. Sen avulla voima voidaan keskittää tai jättää keskittämättä jousen akselille. Silmukan korkeus ja halkaisija voivat vaihdella valmistuksen rajoissa.
Tällainen integroitu vetojousi on usein ketjun heikoin lenkki, mikäli jousta käytetään dynaamisessa sovelluksessa, jossa on useita kuormitusjaksoja.
Tämä johtuu paineen keskittymisestä ja koukun kaareen kohdistuvasta epäsuotuisasta rasituksesta. Erittäin dynaamisissa sovelluksissa tämä on otettava huomioon suunnittelussa. Ratkaisuna ei yleensä ole uuden jousen kehittäminen, jossa koukun kestämä rasitustaso on pienempi, vaan erilliset päätyliittimet.
Kierteet ovat yleensä kireällä, ja niissä on jo valmiiksi vetojännitystä. Jousi alkaa venyä, kun ulkoinen voima on suurempi kuin alkuvetojännitys. Alkuvetojännitys vähentää jousen asennuspituutta verrattuna jouseen, jossa ei ole alkuvetojännitystä. Alkuvetojännitystä ei ole sellaisissa vetojousissa, jotka on kovetettu ja käsitelty käämityksen jälkeen. Joissain tapauksissa tarvitaan vetojousia ilman alkuvetojännitystä tai kierteiden välisiä rakoja.
Vääntöjouset
Vääntöjousia käytetään pyörintäliikkeen ja vääntömomentin aikaansaamiseksi. Monissa käyttökohteissa vääntömomenttia käytetään voimana, joka on jaettu vipuvarteen. Tämä on kohtisuora etäisyys voiman toimintalinjan ja jousen keskikohdan välillä. Kierteisiä vääntöjousia voidaan teoreettisesti pitää lankaosina.
Kuorma johdetaan jousen runkoon vipuvarsista, jotka voivat olla eri muotoisia. Yleensä jalat ovat kuitenkin tangentiaalisia, säteittäisiä tai aksiaalisia. Tangentiaaliset vipuvarret ovat yksinkertaisimpia. Niissä vipuvarret seuraavat tangentia jousen rungon päätekohdassa. Säteittäiset vipuvarret ovat joko säteittäisiä sisään- tai ulospäin. Mikä tahansa suunta tangentin ja säteittäisten vipuvarren välillä on tietysti mahdollinen, sillä vipuvarret taipuvat yli 90°:n kulmassa. Vipuvarsi voi myös olla useita yhteisiä taipumia.
Ihanteellista olisi, jos kuorma syötetään vääntöjouseen vääntömomentin kautta eikä pistevoimana. Tämä tarkoittaa, että painuma ja rasitukset jakautuvat tasaisemmin jousimateriaaliin, kun vipuvarret ovat kiinni. Vipuvaren voimapari parantaa jousen toimintaa ja käyttöikää verrattuna yhteen voimaan.
Kylmämuokatuissa jousissa on jäännerasitusta, mikä antaa niille korkeamman joustavuuden niiden kääntyessä kiristyssuuntaan. Ne kootaan usein taivutintelaan (tämä on tarpeetonta, jos jalat ovat kunnolla kiinni). On varmistettava, ettei taivutintela estä halkaisijan pienentymistä jousen kiristyessä. Jos näin tapahtuu, vain jousen jalat painuvat ja ylikuormitus aiheuttaa jousivaurion. Sama tapahtuu, jos aksiaalitila ei riitä kiristyksestä johtuvaan pituuden kasvuun.
Vääntöjousen materiaali joutuu paineen alle taivutuksessa. Tietokoneohjelmien analyysimenetelmiä käytetään yleensä vääntömomentin ja jäykkyyden ominaiskäyrän ja jännityksen määrän ennustamiseen. Nämä menetelmät perustuvat olettamukseen, että kuormat ovat vääntömomentteina tai voimaparina, ja että taivutusjännitys jakautuu symmetrisesti jousessa. Vipuvarret vaikuttavat vahvasti painumaan jousissa, jossa on vähän kierteitä ja/tai pitkät jalat. Tämä on otettava huomioon laskelmissa.
Lankaosat
Lankaosissa voi olla lähes mitä tahansa geometrisia muotoja, kunhan ne ovat valmistettavissa. Lankaosilla on usein erilinen, integroitu jousitoiminto, kun taas muut toiminnot, kuten muiden osien lukitus asennustilanteessa, ovat integroituina tiettyyn lankaosaan. Jousitoiminto voi olla suhteellisen yksinkertainen, ja se harvoin liittyy muiden osien asennukseen tai purkamiseen.
Lankaosan jousiominaisuus on yleensä tehty taipuvasta materiaalista. Koska geometria ja rajaolosuhteet ovat usein monimutkaisia, kuormituksen ja jäykkyyden ominaiskäyrä edellyttää FE-analyysia. Useimmissa tapauksissa lankaosien suunnittelu on seurausta asiakkaidemme ja teknikoidemme käymistä keskusteluista. Niitä seuraa erikokoiset näytekappaleet, joilla määritetään mikä koko antaa oikean kuormituksen ja jäykkyyden suhteen tai halutun muotoon.
Jousipiikit
Jousipiikiäeksen nimi on peräisin maataloudesta, jossa niitä käytetään maaperän käsittelyyn tai sadonkorjuuseen. Jousinäkökulmasta ne on muotoiltu vääntöjousien muotoisiksi, ja niiden ominaispiirre on pitkät varret. Suurin osa jousipiikiäeksistä on kaksoisvääntöjousia. Tämä tarkoittaa, että kussakin piikissä on kaksi kierrettyä jousirunkoa (yksi oikeakätinen ja toinen vasenkätinen).
Jousipiikkejä suunniteltaessa on otettava huomioon, että kuorma on melko lineaarinen. Tämä johtuu pistekuormasta, eikä kierrosta ja vääntömomentista.
Jousipiikit ovat alttiina erittäin dynaamiselle kuormitukselle. Kuormitusalue on luonnostaan ennalta arvaamaton, joten niiden suunnittelussa on huomioitava suurin dynaaminen kuormitusjakso ja turvamarginaali.
Vääntösauvat
Vääntösauva on yksinkertaisimmillaan kaikista jousimuodoista simppelein. Vääntösauvan aktiivinen osa on suora lanka, jonka päät voidaan taivuttaa 90 kulmassa vääntömomentin aikaan saamiseksi. Jousivakio riippuu langan pituudesta, materiaalin laadusta ja poikkileikkauksesta.
Tällainen vääntöjousi sopii hyvin, jos säteittäinen mitta on minimoitava, mutta aksiaalisuunnassa on tilaa.
Lautasjouset
Lautasjouset – tunnetaan myös nimellä Belleville-jouset – ovat puristusjousia. Niiden muoto on aksiaalisesti symmetrinen, rei’itetty kartiolevy, jonka kartion kulma pienenee ollessaan aksiaalisella voimalla kuormitettuna. Materiaalin rasitukset ovat normaaleja levyn kehän suuntaisia rasituksia. Kuperalla puolella nämä ovat puristusrasituksia ja koveralla puolella vetorasituksia.
Lautasjouset ovat usein parempi vaihtoehto kuin puristusjouset käyttökohteissa, joissa voimat ovat suuria ja taipuminen suhteellisen pientä. Jos käytettävissä oleva säteittäinen tila on pieni, lautasjousi on hyvä valinta. Lautasjousia voidaan käyttää yhtenä levynä, mutta useimmiten ne pinotaan. Pinoamisen voi tehdä sarjassa, joka lisää jäykkyyttä, tai rinnakkain, joka lisää voimaa. Myös yhdistetty rinnakkais- ja sarjapinoaminen on mahdollista.
Lautasjouset ja lautasjousipinot ovat hieman vaimentavia. Tämä tarkoittaa, että jousivakio laskee taipuessa. Vaikutus riippuu pääasiassa kartion korkeuden ja paksuuden välisestä suhteesta.
Lautasjousen mitat on standardoitu EN 16983-standardilla, ja usein pinoamalla vakiolautasjousia on mahdollista löytää ratkaisu, jossa on halutut ominaisuudet. Myös asiakaskohtaiset mitat ovat mahdollisia. EN 16983 -standardissa levyt on jaettu kolmeen mittasarjaan. A-sarjan lautasjousissa on alhainen suhde kartion korkeuden ja paksuuden välillä ja siten lähes lineaarinen voiman ja jäykkyyden suhde. C-sarjan lautasjouset ovat murtolevyjä ja B-sarja on näiden kahden välissä. A-sarjan levyt ovat myös jäykempiä (suuri voima ja alhainen painuma). C-sarja on sen vastakohta.
EN 16983 -lautasjouset jaetaan kolmeen ryhmään materiaalin paksuuden ja valmistusprosessia koskevien vaatimusten mukaan. Ryhmä 1 sisältä lautasjousia, joiden paksuus on alle 1,25 mm ja/tai välillä 1,25 – 6 mm. Ryhmä 3 sisältää lautasjousia, joiden paksuus on yli 6 mm. Ryhmät 1 ja 2 ovat melko samanlaisia käyttäjän näkökulmasta. Ryhmän 3 lautasjousissa on tasaiset kosketuspinnat voimanvälityskohdissa. Tämä lisää kosketuspinta-alaa ja vähentää lautasjousien välistä kontaktipainetta. Se myös pienentää lautasjousiin kohdistuvaa painetta osilta, jotka välittävät voimaa lautasjousipinoon. Tasaisen kosketusalueen leveys on vain noin 1/150 ulkohalkaisijasta. Se kuitenkin lisää jousivakiota, joka kompensoidaan valmistamalla lautasjouset ohuemmasta materiaalista.
aaltojouset
Aaltojouset kuuluvat puristusjousiin, joiden voima kasvaa pienemmällä pituudella. Aaltojouset on valmistettu valssatusta langasta. Siksi niillä on suorakulmainen poikkileikkaus mutta luonnostaan pyöreät reunat. Materiaali on kieretty siten, että sen halkaisija ja kierteiden määrä on määritetty. Lisäksi lanka saa aaltomuodon pituussuunnassa. Aallot ovat lähes sinimuotoisia ja jokaisessa kierteessä on yleensä 3,5 tai 4,5 aaltoa, mutta tämä voi vaihdella kierteiden halkaisijan mukaan. Aaltojen määrän desimaaliosa kierrettä kohden on aina 0,5, sillä aaltokärjen on vastattava seuraavan kierteen aallon alkamiskohtaa ja oltava kosketuksissa sen kanssa.
Aaltojousi on paras valinta puristusjouseksi, kun jouselle määritetty tila on toruksinen ja säteittäisesti hyvin kapea mutta voiman tarve suhteellisen suuri. Aaltojouset voidaan valmistaa niin, että päätykierteissä on myös aaltoja. Tällöin ei muodostu kuolleita kierteitä ja asennuksen pituus on alhainen. Tasainen päätykierre (jäännöspää) laskee kontaktipainetta, mutta lisää kuolleen kierteen loppuun ja pidentää siten asennuspituutta.
Aaltolaatat voivat olla joko kiinni tai auki. Suljettu aaltolaatta valmistetaan joko levystä tai liuskasta lävistämällä.
Aukinainen aaltolaatta on yleensä kierretty rullalangasta samalla tavalla kuin aaltojouset.
Aaltojousien ja aaltolaattojen materiaali taipuu paineenalaisena. Jokainen aalto toimii kuin palkki, joka on tuettu kosketuskohdissa. Aaltojen määrä kierrettä kohden vaikuttaa voimakkaasti jousivakioon, joka kasvaa neljännellä jokaista aallon kierrettä kohden.
Spiraalijouset
Spiraalijouset ovat myös puristusjousia, ja ne ovat vääntösauvojen vastakohta puhuttaessa jousitoiminnon käytettävissä olevan tilan muodosta. Spiraalijousien painuma lisääntyy suhteessa kierteiden määrään. Siksi ne tarvitsevat paljon säteittäistä tilaa. Jouset on valmistettu materiaalista, jonka poikkileikkaus on suorakulmainen. Kyseessä on joko litteä lanka tai kylmä- tai kuumakäämitty liuska.
Kuorma johdetaan jouseen jalkojen kautta. Jalat ovat yleensä 90 astetta sisäänpäin käännettynä sisäsäteellä, ja ne on kiinnitetty akselin luiskaan. Ulkojalkojen muoto voi vaihdella.
Kuten kierrevääntöjousilla, jalkojen voimaparin kautta tapahtuva kuormitus parantaa jousen käyttäytymistä ja dynaamista käyttöikää verrattuna pistevoimana tapahtuvaan kuormitukseen.
Spiraalijousissa kierteet eivät koske toisiaan ja siten niissä ei ole sisäistä kitkaa. Tämä on mahdollista vain, jos kuorma syötetään oikein jouseen eli voimaparin kautta eikä pistevoimalla. Kun kierteiden painuma ja määrä lisääntyvät, on vaikea välttää kierteiden välistä kosketusta. Tällaisissa tilanteissa siirrymme vähitellen kohti spiraalijousien rakennetta.
Spiraalijouset (Power Spring)
Spiraalijousiksi kutsutaan tasaisia kierrejousia, jotka kääntyvät monta kertaa ympäri käytön aikana. Tyypillinen käyttökohde on sähkökaapelien tai turvahihnojen kelausjärjestelmä. Ne ovat samankaltaisia spiraalijousien kanssa, mutta liuskan pituus ja kierteiden määrä ovat paljon suuremmat. Sisäinen kitka on luonnollista spiraalijousille, koska kierteet ovat säteittäiset toisiinsa nähden.
Spiraalijousien kuormitus on sama kuin spiraalijousien. Yleisimmissä malleissa sisäisimmän kierteen sisäänpäin kääntynyt jalka sopii akseliin. Ulompi jalka voidaan suunnitella suuremmalla vapaudella, mutta kiinteä ulkopää ja voimaparin kautta tapahtuva kuormitus mahdollistavat, että kuorma jakautuu symmetrisesti kierteisiin. Tämä antaa jouselle parhaan toimintatavan sekä dynaamisen käyttöiän.
Spiraalijouset voidaan joko käämittää vakiomenetelmillä tai esijännittää. Esijännitys lisää vääntömomenttitehoa ja mahdollistaa jopa 50 kierrosta, kun yleensä käämittettyjen jousien toimintaraja on noin 20 kierrosta. Esijännitettyjen jousien dynaaminen käyttöikä on kuitenkin pienempi.
Asennamme spiraalijouset lopulliseen koteloonsa usein valmistuksen aikana. Vaihtoehtoisesti toimitamme ne tilapäisellä kotelolla, joka vaihdetaan kokoamisen aikana lopulliseen koteloon. Spiraalijousi on aina esikuormitettava muutamalla kierroksella, ja työkierrosten määrä lasketaan tästä esikuormitusasennosta. Esikuormituksen määrä riippuu rakenteesta. Esikuormitusasennossa vääntömomentin ja kierrosten suhde on lähes lineaarinen kuormanlatauspisteeseen asti. Muutama kierros jää jäljelle ennen kuin kaikki liuskat ovat kiristettyinä sisähalkaisijan ympärillä ja jousi on tukevassa asennossa.
Spiraalijousia voidaan käyttää myös moottorijousina, joissa liuskan ulkopää kelataan toisen akselin ympärille. Jos liuskaa kierretään vapaasta muodosta vastakkaiseen suuntaan, sitä kutsutaan B-moottoriksi. Vähemmän tavallisia ovat A-moottorijouset, joissa liuska kelautuu samaan suuntaan kuin sen luonnollinen muoto.
Vakiospiraalijouset
Vakiospiraalijouset ovat vetojousia, jossa voima kasvaa, kun jousi pitenee. Voimannousu on kuitenkin hyvin pieni, mistä syystä ne on nimetty vakiospiraalijousiksi. Ne koostuvat tiukasti hankaavasta liuskamateriaalista, joka on muodostanut kaarevan tasaisen säteen koko liuskan pituudelle. Jousi on koottu niin, että kela voi pyöriä vapaasti joko akselilla tai urassa, ja kelan ulkopäät vedetään ulos.
Ulkopäiden ulosvetoon tarvittava voima aiheutuu vääntömomentin tasapainosta taivutusmomenttiin, jota tarvitaan liuskan suoristamiseen luonnollisesta taivutussäteestä. Vakiospiraalijousien maksimivoima on rajoitettu, mutta niitä voidaan asettaa sarjoina ja rinnakkain voiman ja etäisyyden lisäämiseksi. Asennus voidaan suunnitella myös niin, että jousta käytetään puristusjousena.
Jousiaihiot (Renkaat)
Jousiaihioiden avulla luodaan säteittäinen voima ympyränmuotoiseen geometriaan. Jousiaihio on ympyrä, joka syntyy liittämällä suoran kierrejousen kaksi päätä. Suoran kierrejousen mitat valitaan niin, että pyöreäänjousiaihioon saadaan aikaan haluttu voiman ja jäykkyyden suhde.
Lukitusrenkaat
Lukitusrenkaat ovat renkaita, joita käytetään komponenttien lukitsemiseen aksiaalisesti. Niiden kehäsuunta on 270-360 astetta, ja ne asennetaan joka aukon sisä- tai ulkopuolelle. Lukitusrenkaiden vaatimukset on rajattu säteittäisen laajentumisen mukaan tai asetuksessa tarvittavan enimmäis- tai vähimmäishalkaisijan mukaan. Laajennuksen tai supistuksen on sovittava yhteen lukitusrenkaan joustavuuteen.
Lukitusrenkaan päissä olevat piikkireunat voivat olla haitallisia ympäröiville asennuksille. Piikkireunat voidaan minimoida tai poistaa kokonaan erityisillä leikkaus- tai puristustekniikoilla. Käämityksen jälkeinen jännityksen poistaminen on tärkeää lukitusrenkaille, jotka laajenevat asennuksen aikana. Jos asennuksen aikana tapahtuu plastisia muodonmuutoksia, lukitusvoima heikkenee odotettuun verrattuna.