Fjädrar

Fjädrar är en av de grundläggande grupperna av maskiner element, tillsammans med fästelement, lager, bussningar etc. Fjädrar används i många mekaniska system som har en inbyggd relativ rörelse mellan komponenter.

Teknisk information om fjädrar

Fjädrar är en av grupperna av grundläggande maskinelement så som skruvar, muttrar, lager, bussningar etcetera. Fjädrar används i en mängd mekaniska system som har en inbyggd relativ rörelse mellan ingående komponenter. Eftersom denna rörelse oftast är förknippad med den primära funktionen hos systemet, är fjädern en vital del av hela funktionen. “It won’t do a thing, if it ain’t got that spring”, om vi travesterar en av Duke Ellingtons hits.

En fjäder kan ha många geometriska former. En fjäder är en komponent som deformerar elastiskt under mekanisk belastning och där förhållandet mellan elastisk deformation och belastning är viktigt.

Sambandet mellan elastisk deformation och belastning kallas för fjäderkarakteristiken, eller – om karakteristiken är linjär – för fjäderkonstanten. Detta funktionskrav definieras utifrån det mekaniska systemet där fjäderfunktionen ska byggas in.

 
 

Den lämpligaste fjädertypen och dess geometri bestäms oftast av vilket geometriskt utrymme som finns tillgängligt för fjäderfunktionen, tillsammans med tillförlitlighets- och kostnadsaspekter. Det finns ett antal huvudtyper av fjädrar som har visat sig vara utrymmes- och kostnadseffektiva sätt att förverkliga vissa funktionskrav. Till exempel används skruvlindade tryckfjädrar, tallriksfjädrar eller vågfjädrar för axiella tryckkrafter och var och en av dessa har sin specifika kombination av fjäderkarakteristik och utrymme där de erbjuder den bästa lösningen. 

Samma sak gäller för roterande rörelser, där cylindriska vridfjädrar, klockfjädrar, drivfjädrar eller torsionsstavar har var sitt optimalt område av fjäderkarakteristiker. Men en komponent som har en fjädrande funktion kan ha praktiskt taget vilken form som helst. Tråd- och bandmaterial kan formas till komplicerade geometrier och många sådana komponenter har mer än en inbyggd funktion, av vilka bara en är en fjäderfunktion.

(SKRUVLINDADE) TRYCKFJÄDRAR

Det finns några olika typer av fjädrar där kraften ökar med minskande längd, men den skruvlindade tryckfjädern är den vanligaste av alla fjädertyper och kallas ofta bara tryckfjäder. Också inom gruppen tryckfjädrar finns en mängd geometriska former. Gemensamt för samtliga är att tråden formas till en skruvform, där radie och stigning varierar med varvpositionen. Belastningen förs in i materialet via fjäderns ändar, som normalt är nedlagda. Detta betyder att stigningen i ändvarven är lägre än i de verksamma varven. Ändvarven är också i de flesta fall planslipade för att centrera belastningen och ge en symmetrisk deformation av varven i fjädern.

Vanligast är den linjära, cylindriska tryckfjädern som har en konstant diameter. Stigningen är också konstant, undantaget de nedlagda ändvarven. En progressiv, cylindrisk tryckfjäder konstrueras med olika stigning i de verksamma varven. Koniska tryckfjädrar konstrueras ofta för att möjliggöra kompression till en höjd lika med tråddiametern, det vill säga till en plan spiral. 

 
 

Karakteristiken för en konisk tryckfjäder är oftast progressiv, men stigningen kan varieras för att nå en nästan linjär karakteristik. Tryckfjädrar kan också ha en diameter som ger en tunn- eller timglasform, vilket kan ge egenskaper som är önskvärda i vissa applikationer.

Fjädersatser är ett sätt att minimera utrymmesbehovet för en fjäderfunktion. Två eller tre tryckfjädrar konstrueras för att passa inuti varandra, vilket betyder att utrymmet inuti den yttre fjädern också utnyttjas. Lindningsriktningen varieras mellan höger och vänster mellan fjädrarna för att undvika att varven påverkar varandra.

Utgångsmaterialet har oftast runt tvärsnitt, men det kan också vara kvadratiskt, rektangulärt, elliptiskt… Den axiella fjädringen ger upphov till vridskjuvspänningar i materialet. Alla typer av tryckfjädrar kan beräknas med semi-analytiska metoder så länge belastningen är axiell. Detaljerad analys eller andra belastningsfall kräver icke-linjär FE-analys.

DRAGFJÄDRAR

Dragfjädrar är skruvlindade fjädrar där längden ökar med ökande kraft. Teorin och funktionen är väldigt lik den för skruvlindade tryckfjädrar, men den omvända belastningsriktningen nödvändiggör några utmärkande egenskaper.

Ändarna på en dragfjäder måste överföra en dragkraft. Den vanligaste lösningen är att bocka tråden till önskad form. Detta kan vara en öppen krok eller en sluten ögla som vanligen placeras centrerat i fjäderkroppen, men fjädrar med sidoplacerad ögla/krok finns också.

 

 

 Ändutformningar med bockad ögla eller krok har dock nackdelen att de tillför en snävare bockningsradie än i fjäderns verksamma del. Här uppstår en spänningskoncentration som kommer att göra denna bock till den svagaste länken i kedjan om fjädern ska användas i en applikation med krav på många belastningscykler. Istället för att överdimensionera fjädern för att ta hänsyn till denna spänningskoncentration, används oftast andra lösningar för dragfjädrar till dynamiska applikationer. Dessa bygger oftast på separata ändfästen som sätts fast i fjäderkroppen. Tråden behöver då inte bockas och spänningskoncentrationen kan undvikas.

Varven lindas normalt tätt och med en förspänningskraft. Fjädern börjar inte förlängas förrän belastningen överstiger förspänningskraften, vilket gör att längdutrymmet för fjäderfunktionen kan reduceras jämfört med en fjäder utan förspänningskraft. Stora dragfjädrar som härdas efter formning kan inte tillverkas med förspänningskraft. Det finns också applikationer med mindre fjädrar där det är önskvärt att fjädringen startar direkt när belastning läggs på.

(CYLINDRISKA) VRIDFJÄDRAR

Vridfjädrar används för roterande rörelser och belastas av ett vridmoment. I många applikationer är belastningen en kraft, som då blir lika stor som vridmomentet dividerat med kraftens hävarm. Många fjädrar som har formen av en cylindrisk vridfjäder ska dock snarare behandlas som tråddetaljer vid dimensionering och analys.

Belastningen förs in i fjädern via skänklar. Dessa kan ha många olika former, men kan delas in i tangentiella, radiella eller axiella. Tangentiella skänklar är enklast, där skänkeln följer tangentens riktning ut från fjäderkroppen. Radiella skänklar kan vara riktade antingen in mot eller ut från fjäderkroppens centrum. Riktningar mellan tangentiell och radiell skänkel är förstås också möjliga, liksom flertalet bockar och riktningar på skänkeln för att passa i applikationen.

För alla vridfjädrar gäller att belastningen helst ska föras in i fjädern via ett moment eller kraftpar, snarare än via enbart en punktkraft. Detta ger en jämnare fördelning av fjädring och spänning i materialet, vilket i sin tur gagnar fjäderns livslängd.

 
 

Kallformade vridfjädrar har egenspänningar från formningen och dessa ger fjädern en högre elastisk gräns om den belastas i samma riktning som den formades. Rätt belastningsriktning är alltså den riktning som ökar antalet varv och minskar fjäderns diameter. Vridfjädrar monteras ofta på en axel och det måste säkerställas att diameterminskningen vid belastning inte förhindras av axeln. Om detta sker, nyper fjädern på axeln och skänklarna blir den enda del av fjädern som kan ta upp återstående fjädring, vilket leder till överbelastning och fjäderbrott. Samma sak inträffar om det axiella utrymmet inte är tillräckligt stort för den ökning av längden som är en konsekvens av belastningen i varvökande riktning.

Materialet i cylindriska vridfjädrar belastas i böjning. Analytiska metoder implementerade i beräkningsprogram används för att beräkna fjäderkarakteristik och spänningar i materialet. Dessa metoder förutsätter att belastningen förs in i fjädern via ett moment eller kraftpar och att fjädringen fördelas symmetriskt i fjädern. I många vridfjädrar – speciellt de med få varv och/eller långa skänklar – bidrar skänklarna med så mycket fjädring att denna måste beaktas.

TRÅDDETALJER

Tråddetaljer kan ha praktiskt taget vilken form som helst, så länge den kan tillverkas. De har ofta en inbyggd fjäderfunktion, men andra funktioner – t ex låsfunktioner – kan integreras i samme tråddetalj. Fjäderfunktionen kan vara relativt enkelt och är ofta förknippad med montering/demontering av andra komponenter.

Materialet belastas normalt i böjning. Eftersom geometri och randvillkor ofta är komplicerade krävs oftast en icke-linjär finit-element analys för teoretisk analys. I många fall är dock konstruktionen av en tråddetalj resultatet av diskussioner mellan kunden och våra tekniker, följt av ett antal prototyper för att i praktiken avgöra vilken form som ger rätt fjäderkarakteristik eller helt enkelt den rätta ”känslan”.

HARVPINNAR

Harvpinnar har sitt namn efter sin användning inom jordbruk, där de används för jordbearbetning eller höskörd. Ur fjäderteknisk synvinkel har de formen av skruvlindade vridfjädrar, med långa skänklar som utmärkande egenskap. De flesta är dubbla vridfjädrar, vilket betyder att varje harvpinne har två fjäderkroppar (en höger- och en vänsterlindad).

Vid konstruktionen av fjädern måste det beaktas att belastningen på fjädern snarast är en linjär förskjutning av skänkelns ända orsakad av en punktkraft, istället för – som brukligt inom vridfjäderteori – en rotation orsakad av ett vridmoment.

Harvpinnar utsätts för hög dynamisk belastning med ett – av naturliga skäl – varierande lastspektra.

TORSIONSSTAVAR

En torsionsstav har kanske den enklaste geometriska formen av alla fjädrar. Den aktiva delen av torsionsstaven kan vara en rak tråd vars ändar bockas i rät vinkel för att kunna överföra ett vridmoment till staven. Fjäderkarakteristiken beror enbart på materialets tvärsnitt och längden på tråden.

Torsionsstavar är väl lämpade om det finns gott om utrymme axiellt.

 
 

TALLRIKSFJÄDRAR

Tallriksfjädrar tillhör kategorin tryckfjädrar. De har formen av en axialsymmetrisk, hålad och konisk skiva vars konvinkel minskar vid belastning. Spänningarna som uppstår i materialet är normalspänningar riktade i omkretsriktningen. På den konvexa ovansidan uppstår tryckspänningar och på den konkava undersidan uppstår dragspänningar.

Tallriksfjädrar är ofta ett bättre alternativ än skruvlindade tryckfjädrar i applikationer där krafterna är höga och fjädringarna relativt små. Om det radiella utrymmet är litet överväger fördelarna med tallriksfjädrar än mer. Tallriksfjädrar staplas vanligen till staplar. Seriestapling – med ovansidan omväxlande uppåt eller nedåt – ökar fjädringsvägen för samma kraft, medan parallellstapling ökar kraften för samma fjädringsväg. Kombinerad serie- och parallellstapling är också möjlig.

Tallriksfjädrar och –staplar har en lätt degressiv fjäderkarakteristik, d v s fjäderstyvheten minskar med ökande fjädring. Hur degressiv karakteristiken är beror på förhållandet mellan kupningshöjd och materialtjocklek. För stora förhållandet mellan kupningshöjd och tjocklek kan styvheten t o m bli negativ vilket innebär en instabilitet och risk att brickan ”snäpper igenom” och funktionen försvinner.

 

Dimensioner på tallriksfjädrar finns standardiserade i EN 16983 och det är ofta möjligt att använda dessa och erhålla önskad karakteristik med hjälp av anpassad stapling. Kundspecifika dimensioner är också möjliga. I EN 16983 är brickorna indelade i tre dimensionsserier, där serie A har nästan linjär karakteristik och serie C tydligt degressiv. Serie B är ett mellanting mellan dessa. Fjädrarna i EN 16983 är också indelade i tre grupper med olika krav på tillverkningsprocesser och utförande. Grupp 1 är brickor med materialtjocklek mindre än 1.25 mm och serie 2 mellan 1.25 och 6 mm tjocklek. Dessa är relativt lika i utförande, men brickor i Grupp 3 – med tjocklek över 6 mm – skiljer sig med sina svarvade anliggningsplan. Syftet med dessa är att sprida ut kraften över större yta och minska kontakttryck och slitage på lastinförande detaljer (som ofta har lägre hårdhet än fjädermaterialet). Kontaktytan ger en ökad styvhet hos brickan, vilket kompenseras genom att tillverka dem med en reducerad materialtjocklek.

VÅGFJÄDRAR

Vågfjädrar tillhör kategorin tryckfjädrar. Vågfjädrar tillverkas av plattvalsad tråd. Materialet lindas till en skruvform med stigning och diameter precis som för en cylindrisk tryckfjäder, men i tillägg till denna form skapas en kontinuerlig vågform längs trådlängden. Vågorna är nära sinusformade till formen och antalet vågor per varv är ofta 3.5 eller 4.5, men fler förekommer. Decimaldelen av antalet vågor per varv ska vara 0.5, eftersom vågtoppen på ett varv ska mötas av nästa varvs vågdal.

 
 

En vågfjäder är det bästa valet av tryckfjädrar för inbyggnader där det radiella utrymmet är smalt och begränsat både utvändigt och invändigt, samtidigt som krafterna ska vara ganska höga och rörelsen liten. En fördel med vågfjädern är att alla varv i fjädern kan ha vågor och att den därför inte har några inaktiva varv, vilket minskar stumlängden. Alternativt kan dock ett plant ändvarv läggas till för att minska yttrycket i kontakten.

 

Envarviga vågbrickor kan vara antingen slutna eller öppna. Slutna vågbrickor tillverkas av plåt eller band genom stansning och formning. Öppna vågbrickor tillverkas – precis som vågfjädrar – från plattvalsad tråd.

Spänningarna som uppstår i materialet i vågfjädrar och vågbrickor är böjspänningar. Varje våg fungerar som en balk, upplagd på två kontaktpunkter. Antalet vågor per varv minskar längden på varje våg. Detta inverkar kraftigt på styvheten, vilken ökar med fjärde potensen på antalet vågor per varv.

BUFFERTFJÄDRAR

Buffertfjädrar är tryckfjädrar som tillverkas av material med rektangulär sektion. Materialet lindas till en konisk form med stigning där varven överlappar varann. Vid belastning uppstår mycket friktion mellan varven och buffertfjädrar används ofta när dämpning är önskvärd.

 
 

Stora buffertfjädrar användes tidigare i järnvägsbuffertar, men har ersatts av ringfjädrar i den typen av applikationer. Dubbla buffertfjädrar används i trädgårdssekatörer och kallas av den anledningen ofta sekatörfjädrar.

Materialet belastas huvudsakligen i vridning, men spänningsfördelningen och den teoretiska behandlingen av buffertfjädrar är relativt komplicerad.

KLOCKFJÄDRAR

Klockfjädrar används för vridrörelser och är den direkta motsatsen till torsionsstavar om vi betraktar formen på det utrymmer som fjädern behöver. I en klockfjäder ökar vi antalet varv för att öka fjädringsvägen, vilket gör att det radiella utrymmesbehovet ökar.

Klockfjädrar tillverkas av material med rektangulärt tvärsnitt som kan vara antingen plattvalsad eller dragen tråd eller kall- eller varmvalsat bandmaterial.

Belastningen förs in i fjädern via skänklar. För den inre änden är detta oftast en 90° bock som passar i ett spår i axeln. För den yttre änden förekommer en större variation i utförandet.

 
 

Precis som för cylindriska vridfjädrar så ger en lastinföring via ett kraftpar som verkar på skänklarna en mer symmetrisk fjädring i varven och en bättre livslängd jämfört med lastinföring via enbart en punktbelastning.

Klockfjädrar antas arbeta utan att varven kommer i kontakt med varann och därmed utan inre friktion. Detta är endast möjligt om kraften förs in via ett kraftpar istället för punktkraft. I praktiken brukar friktionsfritt arbetssätt enbart vara möjligt om totala fjädringen är begränsad till 1.5-2 varv. För större fjädringar övergår en klockfjäder till att mer och mer likna en drivfjäder i konstruktion och arbetssätt.

DRIVFJÄDRAR

Drivfjädern tillhör kategorin vridfjädrar och är plattspiralfjädrar med ett ganska stort antal arbetsvarv. Upp till 50 arbetsvarv är möjligt med speciella tillverkningstekniker. Typiska applikationer är för att rulla upp kablar och slangar på spolar. Drivfjädrar har likheter med klockfjädrar, men bandlängden och antalet varv är mycket större och inre friktion finns i drivfjädrar eftersom varven är i radiell kontakt med varann.

Lastinföringen i drivfjädrar liknar den för klockfjädrar. Invändigt är en radiellt inåtriktad skänkel som passar i ett spår på en axel den vanligaste lösningen, medan den yttre skänkeln kan varieras i högre grad. 

En momentstyv infästning av yttre skänkeln ger även för drivfjädrar en mer symmetrisk fjädring än en enkel upphängning kring en pinne.

Drivfjädrar kan vara antingen konventionellt lindade eller omvänt lindade. Omvänd lindning ökar momentet och/eller antalet användbara arbetsvarv. Utmattningslivslängden blir dock högre för konventionellt lindade fjädrar.

Drivfjädrar måste hållas ihop radiellt efter tillverkningen. Ofta monteras de i sitt hus direkt vid tillverkningen, alternativt levereras de med en transportsäkring som lossas i samband med montage.

Vid montage ska drivfjädern förspännas för att ge sitt minimimoment och antalet arbetsvarv räknas från denna förspända position. Karakteristiken är ganska linjär från denna förspända position ända upp till dess nästan hela bandlängden ligger tätlindad runt det inre navet.

Drivfjädrar kan också användas som motorfjädrar, där fjädern rullas upp på en andra axel. När fjädern släpps och vill återgå till sin lagringsaxel, erhålls moment och rotation på den drivna axeln.

KONSTANTKRAFTFJÄDRAR

Konstantkraftdragfjädrar är egentligen ett mer korrekt namn, då dessa är en typ av dragfjäder med en kraft som ökar med längden. Ökningen i kraft är emellertid nästan försumbar och kraften kan betraktas som konstant. De består av en tätlindad spole av bandmaterial som har getts en krökningsradie som är konstant längs bandlängden i fjädern. Fjädern monteras så att spolen kan rotera fritt – antingen på en axel eller i ett spår – och dragkraften anbringas i spolens yttre ände.

Kraften för att dra – det vill säga räta ut – bandet balanseras av bandets vilja att återta den krökningsradie som det getts vid formningen. Konstantkraftdragfjädrar byggs ofta samman för att öka den totala kraften.

Om man istället för att dra ut bandet lindar upp det runt en axel, erhåller man en motorfjäder som ger ett vridmoment när fjädern vill återgå till sin naturliga form. Det vanligaste är att bandet kröks motsatt sin naturliga krökningsriktning på den drivna axeln.

STRUMPEBANDSFJÄDRAR

Strumpebandsfjädrar används för att skapa en radiellt inåtriktad kraft på en cirkulär geometri. En strumpebandsfjäder har formen av en cirkel, som skapats genom att förbinda de två ändarna av en rak, skruvlindad dragfjäder. Dimensionerna på den raka, skruvlindade fjädern väljs för att ge rätt radiell styvhet för strumpebandsfjäder och beräkningen utförs på samma sätt som för en dragfjäder.

LÅSRINGAR

Låsringar används för fixering av komponenter i axiell riktning. De har en omfattningsvinkel mellan 270° och 360° i tangentiell riktning och används antingen för invändig montering i ett hål eller utvändigt på en axel. Fjäderfunktion de ska uppfylla är oftast begränsad till att kunna bli radiellt utvidgade eller förminskade tillräckligt för att kunna monteras och därefter fjädra tillbaks med önskad radiell låskraft. Utvidgningen eller förminskningen måste således vara inom ringens elastiska kapacitet.