Fjærer

Fjærer er en av de grunnleggende produktene i maskinelementer, sammen med  kulelagre, foringer etc. Fjærer brukes i mange mekaniske systemer der det skal være en innebygd bevegelse mellom komponenter.

Teknisk informasjon om fjærer

Siden bevegelsen i de fleste tilfeller er relatert til det mekaniske systemets primære funksjon, er fjæren en viktig del av hele funksjonen.

““It won’t do a thing, if it ain’t got that spring”, hvis vi omskriver en av Duke Ellingtons hitlåter. En fjær kan ha mange geometriske former. En fjær er en komponent som deformeres elastisk under en mekanisk belastning og hvor forholdet mellom elastisk deformasjon og belastning er viktig. Forholdet mellom belastning og bevegelse kalles fjærkarakteristikk eller fjærkonstant. Når mekaniske systemer utvikles og et behov for en fjærfunksjon oppstår, definerer vi kravet om forholdet mellom belastning og bevegelse.

 
 

Fjærtype og geometri er valgt basert på det geometriske rommet som er tilgjengelig for fjærfunksjonen, sammen med pålitelighet og kostnader. Det er noen fjærtyper som har vist seg å være kostnadseffektive og plassbesparende  i visse applikasjoner. Trykkfjærer, tallerkenfjærer og bølgefjærer brukes vanligvis til aksialbelastning, og hver av dem har et variert utvalg av kraft- og bevegelse parametere der de gir den mest plasseffektive løsningen.

Det er likt for roterende applikasjoner, hvor spiralformede torsjonsfjærer, klokkefjærer, torsjonsstenger eller drivfjærer hver har sitt eget optimale utvalg av kombinasjonen dreiemoment og bevegelse. Men en komponent som har en innebygd fjærfunksjon kan ha praktisk talt hvilken som helst form. Tråd og plater kan dannes til kompliserte former og mange slike komponenter har mer enn én funksjon, hvorav bare en er en fjærfunksjon.

Tråddetaljer

Tråddetaljer kan ha nesten alle typer geometri så lenge det er mulig å produsere. De har ofte en integrert fjærfunksjon, men andre funksjoner – som å låse andre komponenter under montering – er integrert i samme tråddel. Fjærfunksjonen kan være relativt enkel og ikke sjelden koblet til montering og demontering av andre komponenter.

 
 

Fjæregenskapene i materialet til fjærfunksjonen er viktig å være klar over. Siden geometrien og grenseforholdene ofte er kompliserte, krever last-avbøyningskarakteristikken ofte en FE-analyse. I de fleste tilfeller er utformingen av tråddetaljer et resultat av diskusjoner mellom kunden og våre teknikere, etterfulgt av prøver i forskjellige trådstørrelser for å bestemme hvilken størrelse som gir riktig belastning-avbøyning-egenskaper, alternativt ønsket “følelse”.

Trykkfjærer

Det er noen forskjellige typer fjærer hvor kraften øker når aksial lengde avtar, men spiralformede trykkfjærer er den vanligste fjærtypen av alle, og de blir derfor ofte referert til som bare “trykkfjærer”. Også innenfor gruppen spiralformede trykkfjærer, er det en rekke geometriske former. Felles for alle er at en fjærtråd er dannet til en spiralformet form hvor fjærens radius og trådens stigning kan variere. Lasten innvirker på fjæren i begge ender, som normalt er nedlagt, noe som betyr at trådvinkelen er redusert så mye som mulig i de to endene. Endene av fjæren er i de fleste tilfeller slipt, noe som sentrerer belastningen på fjæren og gir en symmetrisk nedbøyning av vindingene.

 
 

Vanligst er de lineære, sylindriske trykkfjærene som har en konstant diameter. Stigningen er også, bortsett fra de lukkede endeviklinger, konstant. En sylindrisk, progressiv trykkfjær er designet med forskjellig stigning i ulike deler av fjæren. Koniske trykkfjærer er ofte utformet for å muliggjøre kompresjon til en høyde som tilsvarer tråddiameteren. Kraft- og bevegelsekarakteristikken er normalt progressiv, men stigningen kan varieres for å gi en nær lineær kraft-bevegelse forhold. Fjærdiameteren kan også formes som en tønne eller timeglassform, noe som gir spesielle egenskaper i visse applikasjoner.

Fjærer montert inne i hverandre er en måte å minimere den nødvendige plassen for fjærfunksjonen. To eller tre kompresjonsfjærer er designet for å passe inn i hverandre, noe som betyr at den ellers tomme plassen inne i fjærens indre diameter også brukes. Retningen på viklingene er vekslet til høyre og venstre mellom fjærene. Sirkulært tråd tverrsnitt dominerer, men det kan også være firkantet, rektangulær, elliptisk… Den aksiale avbøyningen av en kompresjonsfjær gir torsjonsstress i tverrsnittet av ledningen. Alle typer spiralformede kompresjonsfjærer kan teoretisk behandles ved bruk av semi-analytisk metode så lenge belastningen er aksial. Detaljert analyse av andre nedbøyningsmoduser krever ikke-lineær FE-analyse.

fjærtinder

Fjærtinder har sitt navn etter anvendelse i landbruket, hvor de brukes til grashandtering eller tresking. Fra et fjærsynspunkt har de formen på en torsjonsfjær med lange ben som særtrekk. De fleste fjærtinder er doble torsjonsfjærer, noe som betyr at hver fjærtind har to kveilede fjærkropper (en høyre- og en venstreviklet).

 
 

I fjærdesign må det vurderes at belastningen er  en lineær nedbøyning av fjærbenet forårsaket av en punktbelastning , i stedet for en rotasjon og et dreiemoment. Fjærtinder utsettes for svært høy dynamisk lasting som er ganske uforutsigbart, så design må gjøres med tanke på de maksimale dynamiske lastsyklusene og med en sikkerhetsmargin.

Låseringer

Låseklips er ringer som brukes til å låse komponenter i aksial retning. De har en forlengelse i omkretsretning på mellom 270° og 360 ° og kan monteres inne i et hull eller utenpå en en aksel. Kravet til fjærfunksjon er ofte begrenset av utvidelse eller sammenpresset til den maksimale eller minste diameter som kreves under montering. Denne utvidelsen eller sammentrekningen må være innenfor det elastiske arbeidsområdet til låseklipset.

Grader på endene av et låseklips kan være skadelig for de omkringliggende komponentene der klipset er montert. Grader kan minimeres eller fjernes helt av enten spesielle skjæreteknikker eller avgradning. Spenninger etter kveiling er viktig for låseklips som utvides under montering. Enhver plastisk deformasjon under montering vil føre til tap av låsekraft sammenlignet med det som er forventet.

Torsjonsfjærer

Spiralformede torsjonsfjærer brukes til rotasjonsbevegelser og gir et dreiemoment når de spennes. I mange applikasjoner brukes dette dreiemomentet som en kraft som deretter er lik dreiemomentet delt med betjeningsarmen, som er vinkelrett avstand mellom den fungerende linjen av kraften til midten av fjæren. Noen fjærer har form som en spiralformet torsjonsfjær og kan være bedre enn tråddetaljer. Belastningen blir aktivert av fjærkroppen gjennom bena, som kan ha et stort utvalg av utførelse. De mest vanlige ben er imidlertid tangentiale, radiale eller aksiale. Tangentiale ben er den enkleste, hvor bena følger tangentielt der fjærkroppen slutter. Radiale ben er enten radiale innover eller radiale utover. Enhver retning mellom tangential og radiale ben er selvfølgelig også mulig, som er ben bøyd mer enn 90°. Andre utforminger av bena er også mulige og vanlige.

Når det gjelder alle torsjonsfjærer, framkommer lasten i fjæren som et dreiemoment i stedet for av en punktkraft. Dette betyr at nedbøyningen og påkjenningene fordeles jevnere i fjærmaterialet hvis beina er fastmontert. Et kraftpar på beina gir bedre funksjon og levetid på fjæren sammenlignet med en enkelt kraft. Kaldviklede torsjonsfjærer har restspenning fra trådkveilen, og dette gir dem en høyere elastisk grense hvis de opererer i vikleretningen i forhold til motsatt retning. De er ofte montert på en dorn (men ikke nødvendig hvis bena er riktig festet) og det må sikres at diameteren reduseres under belasting i kveileretningen ikke er forhindret av dorn. Hvis det skjer, vil beina være den eneste delen av fjæren som kan oppta overbelastning slik at dette vil føre til fjærsvikt. Det samme vil skje hvis aksial plass ikke er nok for økningen i lengde som er et resultat av belastning i opp-svingete retning.

Materialet i en spiralformet torsjonsfjær er stresset i bøying. Analytiske metoder implementert i dataprogrammer brukes vanligvis til å forutsi moment-avbøyning karakteristisk og påkjenninger. Disse metodene er basert på antagelsen om at belastninger innføres som dreiemoment eller par, og at bøyestresset er symmetrisk fordelt om våren. Bena bidrar med en stor del av nedbøyningen for fjærer med få spoler og/ eller lange ben, og dette må da gjøres rede for i beregningene.

 
 

Torsjonsstag

Et torsjonsstag er i sin enkleste form den geometrisk enkleste av alle fjærtyper. Den aktive delen av torsjonsstangen er da en rett tråd eller stag, og endene kan bøyes 90 grader for å muliggjøre overføring av dreiemoment til torsjonsstangen. Fjærhastigheten avhenger bare av lengden og materialkarakteren og tverrsnittet av ledningen.

 
 

Denne typen torsjonsfjærer er godt egnet hvis den radiale dimensjonen må minimeres, men det er plass tilgjengelig i aksialretningen.

Strekkfjærer

Strekkfjærer er spiralfjærer der kraften øker med økende lengde. Fra et stressanalysesynspunkt er de svært lik spiralformede kompresjonsfjærer. Den motsatte lasteretningen krever imidlertid noen særtrekk. Endene på strekkfjæren må overføre en forlengelse kraft. Den vanligste løsningen av endene er å bøye tråden i fjærendene til en form som passer. Dette kan være en åpen krok eller en lukket sløyfe, den kan plasseres for å sentrere kraften langs fjæraksen eller ha den utenfor sentrum, høyden og diameteren på løkken kan varieres innenfor grensene for produksjon.

Denne typen integrert ende i strekkfjæren blir ofte den svakeste koblingen i kjeden hvis fjæren brukes i en dynamisk applikasjon med mange last sykluser. Dette skyldes en stresskonsentrasjon og en ugunstig reststressfordeling i bøyen som trengs for kroken. For svært dynamiske bruksområder må dette vurderes i designet, men i stedet for å designe hele fjæren med de lave stressnivåene som trengs for at kroken skal overleve, brukes ofte løsninger med separate endebeslag.

 
 

Spolene er normalt såre stramt og med en innledende spenningskraft. Våren begynner å avlede først når den ytre kraften er større enn den første spenningen. Den første spenningen reduserer installasjonslengden for våren, sammenlignet med en fjær uten innledende spenning. Innledende spenning er ikke mulig i forlengelsesfjærer som er herdet og herdet etter coiling. Det er også vårkrav som favoriserer en forlengelse våren uten innledende spenning og gap mellom spolene.

Bufferfjærer

Volute fjærer brukes i kompresjon og laget av materiale med rektangulært tverrsnitt. Materialet er kveilet til en konisk form med spolene overlappende hverandre. Under kompresjon av volute våren, kan det oppstå betydelig friksjon mellom spolene og volute fjærer brukes ofte når energi må absorberes.

 
 

Store volute fjærer ble tidligere brukt i jernbanebuffere, men har blitt erstattet av ringfjærer i mange lignende applikasjoner. Doble volute fjærer finnes i hage sekatører og er kveilet fra en V-formet blank for å danne en fjær som er symmetrisk rundt sitt aksialsenter. Materialet er først og fremst understreket i torsjon, men stressfordelingen og teoretisk behandling av volute kilder er ganske komplisert.

Klokkefjærer

Klokkefjærer er også torsjonsfjærer og er det direkte motsatte av torsjonsstenger hvis vi vurderer formen på den tilgjengelige plassen for fjærfunksjonen, da vi øker nedbøyningen i en klokkefjær ved å øke antall viklinger, noe som betyr at radialplass må være tilgjengelig. De er laget av materiale med rektangulært tverrsnitt, som enten er flat rullet ledning eller kald eller varmvalset stripe.

 
 

Lasten er introdusert i fjæren via ben, vanligvis en 90 grader innover sving på den indre radius som er montert i en spalte i en aksel. For det ytre benet er det mulig med flere variasjoner i beinform. Når det gjelder spiralformede torsjonsfjærer, gir en last gjennom et kraftpar som virker på beina, en mye bedre funksjon og dynamisk levetid for våren sammenlignet med en last  som bare en punktkraft.

Klokkefjærer skal fungere uten kontakt mellom spolene og dermed uten intern friksjon. Dette er bare mulig hvis lasten innføres i fjæren på en riktig måte, det vil si via kraftpar i stedet for punktkrefter. Når nedbøyningen og antall spoler øker, er det vanskelig å unngå kontakt mellom spolene, og vi beveger oss gradvis mot et design som har flere likheter med kraftfjærer.

Konstantkraftfjærer

Konstantkraftfjærer er forlengelsesfjærer, i betydningen at kraften øker med lengde. Økningen i kraft er imidlertid svært liten, derfor navnet konstantkraft fjærer. De består av en tett  spole av bandmateriale, som har fått en bøyeradius som er konstant gjennom hele lengden av materialet. Fjæren monteres slik at spolen roterer fritt – enten på en aksel eller i et spor – og den ytre enden av spolen trekkes ut.

 
 

Kraften som kreves for å trekke den ytre enden ut, skyldes en momentbalanse  som kreves for å rette bandet fra sin naturlige bøyeradius. Det er en maksimal begrensning for maksimal kraft av en konstantkraft fjærer, men de kan ordnes i serie og parallelt for å øke både kraft og rekkevidde. Kan også utformes for å bruke fjæren som kompresjonsfjær.

Tallerkenfjærer

Tallerkenfjærer – også kalt Belleville fjærer – tilhører  typeen kompresjonsfjærer. De har form av en aksialt symmetrisk, uthullet plate hvis kjeglevinkel reduseres når den lastes med en aksial kraft. Påkjenningene i materialet vil være normale påkjenninger i omkretsretningen på platen; komprimerende påkjenninger på den konvekse siden og strekkfasthet på den konkave siden. Tallerkenfjærer er ofte et bedre alternativ enn spiralformede trykkfjærer i applikasjoner der kreftene er høye og avbøyninger relativt små. Hvis den tilgjengelige radialplassen er liten, snakker dette også for tallerkenfjærer. Tallerkenfjærer kan brukes en og en, men det er mer vanlig at de er stablet. Stabling kan være enten serie, noe som øker nedbøyning, eller parallelt for å øke kraften. Kombinert parallell og seriell stabling er også mulig.

Tallerkenfjærer og stabler av denne har en litt degressiv kraft-avbøyning karakteristisk, noe som betyr at fjærhastigheten reduseres med nedbøyning. Hvor uttalt denne effekten avhenger hovedsakelig av forholdet mellom kjeglehøyde og tykkelse. Tallerkenfjær dimensjoner er standardisert i EN 16983, og det er ofte mulig å finne en løsning med ønsket fjærkarakteristikk ved å stable standardiserte plater. Kundespesifikke dimensjoner er også mulige. I EN 16983 er plater delt inn i tredimensjonale serier der Serie A har et lavt forhold mellom kjeglehøyde og tykkelse og har derfor en nesten lineær kraftdebøyningskarakteristikk. Serie C er tydelig degressive plater og Serie B mellom disse to. Serie A er også stivere plater (høy kraft og lav nedbøyning), Serie C er det motsatte.

EN 16983 plater er også delt inn i tre grupper avhengig av materialtykkelsen og tilsvarende krav til produksjonsprosessen. Gruppe 1 er plater med tykkelse mindre enn 1,25 mm og gruppe 2 fra 1,25 til 6 mm tykkelse. Gruppe 3 er plater med tykkelse over 6 mm. Gruppe 1 og 2 er ganske like fra et brukerperspektiv. Gruppe 3-plater har flate kontaktflater på det punktet hvor kraft overføres. Dette er for å øke kontaktområdet og redusere kontakttrykket mellom plater og mellom plater og komponentene som overfører kraften til platens fjærstakk. Dette flate kontaktområdet har en bredde på bare ca. 1/150 av den ytre diameteren. Likevel gir det en økt vårrate, som kompenseres ved å produsere platene fra et materiale med redusert tykkelse.

 
 

Drivfjærer

Drivfjærer eller Power springs er navnet som brukes for flate spiralfjærer med et stort antall arbeidssvinger. Den typiske anvendelsen er for avvikling av elektriske kabler eller sikkerhetsbelter. De har likheter med klokkefjærer, men bandlengden og antall viklinger er mye større og intern friksjon er naturlig i kraftfjærer siden viklingene er i radial kontakt med hverandre. Belastningen på kraftfjærer ligner på klokkefjærer, med et radialt innover ben på den innerste viklingen som passer i en aksel som den vanligste designen. Det ytre benet kan utformes med større frihet, men en fast ytre ende og last introduksjon gjennom et kraftpar gir en symmetrisk belastningsfordeling i viklingene. Drivfjærer kan enten være konvensjonelt viklet eller prestressed. Prestressing øker dreiemomentutgangen og muliggjør design med opptil 50 arbeidsviklinger, mens konvensjonelt viklet fjærer har en grense på rundt 20 arbeidssvinger. Dynamisk livslengde er imidlertid mindre for prestressede fjærer.

Vi monterer ofte drivfjærer inn i en fjærkropp under produksjonen, og leverer dem alternativt med et midlertidig låseband som frigjøres under montering i den endelige applikasjonen. En drivfjær skal alltid forhåndsbelastes et par viklinger, og antall arbeidsviklinger telles fra denne forhåndslastposisjonen. Mengden forhåndsinnlasting avhenger av design. Fra førlasteposisjonen er dreiemoment-svinger karakteristisk nær lineær opp til et lastepunkt som etterlater et par svinger før hele stripen er tett såret rundt den indre diameteren og fjæren er på sin faste posisjon. Kraftfjærer kan også brukes som motorfjærer, hvor den ytre enden av stripen er avviklet rundt en annen aksel. Hvis stripen er avviklet i motsatt retning fra sin frie form, kalles den en B-motor. Mindre vanlig er A-motor fjærer, hvor stripen er ende opp i samme retning som sin naturlige form.

 
 

bølgefjærer

Bølgefjærer tilhører gruppen kompresjonsfjærer, hvor kraften øker med avtagende lengde. Bølgefjærer er laget av flat rullet materiale, noe som betyr et nær rektangulært tverrsnitt, men med naturlig avrundede kanter. Materialet er kveilet til en spiralformet form med en spesifisert diameter og antall spoler, men i tillegg får materialet en bølgeform langs lengden. Bølgene er nær sinusformet i sin form og antall bølger per coil er vanligvis 3,5 eller 4,5, men kan ha andre verdier avhengig av spolediameteren. Desimaldelen av antall bølger per spole er alltid 0,5, fordi en bølgespiss skal møtes og være i kontakt med bølgedalen til neste spole.

En bølgefjær er det beste valget av kompresjonsfjærtype i bruk der plassen som er tilgjengelig for fjærfunksjonen er svært smal i radial retning, og relativt høye krefter er nødvendig for små installasjonslengder. Bølgefjærer kan produseres med bølger også i enden, noe som gir ingen dødviklinger og en lav installasjonslengde. En flat endevikling (shimmed end) reduserer kontakttrykket, men legger vi til en dødvikling per ende og øker dermed installasjonslengden. Bølgeskiver kan enten lukkes eller åpnes. Lukket bølgeskiver er produsert ved punching fra plate eller bandmateriale.

Åpne bølgeskiver er normalt kveilet fra flat rullet ledning på samme måte som bølgefjærer. Påkjenningene i materialet i bølgefjærer og bølgeskiver bøyer påkjenninger. Hver bølge fungerer som en bjelke, som støttes på kontaktpunktene. Antall bølger per spole har derfor en sterk innflytelse på vårhastigheten, noe som øker med den fjerde kraften i antall spoler per bølge.

 
 

Garterfjærer

Garterfjærer brukes til å skape en radial innoverkraft på en sirkulær geometri. En garterfjær er en sirkel, skapt ved å koble de to endene av en rett, kveilet spiralformet fjær. Dimensjonene på den rette spiralformede fjæren er valgt for å oppnå ønsket kraft-avbøyning karakteristisk for den sirkulære garterfjæren.