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

Eftersom rörelsen i de flesta fall är kopplad till det mekaniska systemets primära funktion är fjädern en viktig del av hela funktionaliteten.

“It won’t do a thing, if it ain’t got that spring”, om vi travesterar en av Duke Ellingtons hitlåtar.

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.

Fjäderns egenskaper eller fjäderhastighet är förhållandet mellan belastning och dämpning. När mekaniska system utvecklas och ett behov av fjäderfunktion uppstår definierar vi kravet på relationen mellan belastning och deformation.

Typen av fjäder och dess geometri väljs utifrån det geometriska utrymme som finns tillgängligt för fjäderfunktionen, tillsammans med hänsyn till tillförlitlighet och kostnad. Det finns några fjädertyper som har visat sig vara kostnads- och rymdeffektiva sätt att förverkliga vissa fjäderfunktioner. . Skruvlindade tryckfjädrar, tallriksfjädrar eller vågfjädrar är vanligt förekommande för linjärt verkande tryckkrafter.

Det är liknande för roterande avböjning, där spiralformade vridning fjädrar, klockfjädrar, vridstänger eller kraftfjädrar har var sin egen optimala intervall av moment-avböjning relation. Men en komponent som har en inbyggd fjäderfunktion kan ha praktiskt taget vilken form som helst. Tråd och plåt kan bildas till komplicerade former och många sådana komponenter har mer än en funktion, varav endast en är en fjäderfunktion.

Tråddelar

Tråddelar kan ha praktiskt taget alla typer av geometri så länge det är möjligt att tillverka. De har ofta en integrerad fjäderfunktion, men andra funktioner – som att låsa andra komponenter under monteringen – är integrerade i samma tråddel. Fjäderfunktionen kan vara relativt enkel och inte sällan ansluten till montering och demontering av andra komponenter.

Spänningsläget i materialet från dess fjäderfunktion böjs normalt. Eftersom geometrin och gränsförhållandena ofta är komplicerade, kräver belastnings-avböjningskännetecken ofta en FE-analys som bestäms. I de flesta fall är dock utformningen av tråddelar ett resultat av diskussioner mellan kunden och våra tekniker, följt av prover i olika trådstorlekar för att avgöra vilken storlek som ger rätt belastningsdeformionsegenskaper, alternativt önskad “känsla”.

-Jag är inte så bra. Kompressionsfjädrar

Det finns några olika typer av fjädrar där kraften ökar när axiell längd minskar, men spiralformade kompressionsfjädrar är den vanligaste fjädertypen av alla och de är därför ofta kallad bara “kompressionsfjädrar”. Även inom gruppen spiralformade kompression fjädrar, det finns en mängd olika geometriska former. Gemensamt för alla är att en tråd bildas till en spiralformad form där spolradie och stigning kan variera med spolens position. Lasten förs in i fjädern vid ändspolarna, som normalt är stängda, vilket innebär att tonhöjdsvinkeln reduceras så mycket som möjligt i de två ändarna. Ändarna av våren är i de flesta fall slipade, som centrerar lasten på våren och ger en symmetrisk avböjning av spolarna.

Vanligast är de linjära, cylindriska kompressionsfjädrarna som har en konstant spolediameter. Planen är också, med undantag för den slutna änden spolar, konstant. En cylindrisk, progressiv kompressionsfjäder är utformad med olika stigning i olika delar av fjädern. Koniska kompressionsfjädrar är ofta utformade för att möjliggöra kompression till en höjd som är lika med tråddiametern. Belastningsdeformionsegenskapen är normalt progressiv, men tonhöjden kan varieras för att ge ett nära linjärt belastningsdeformationsförhållande. Spoldiametern kan också vara sådan som att ge en fat eller timglasform, vilket ger egenskaper som kan önskas i vissa applikationer.

Fjäderbon är ett sätt att minimera det utrymme som krävs för fjäderfunktionen. Två eller tre kompressionsfjädrar är utformade för att passa in i varandra, vilket innebär att det annars tomma utrymmet inuti fjäderns inre diameter också används. Spolriktningen alterneras höger och vänster mellan fjädrarna.
Cirkulär tråd tvärsnitt dominerar, men det kan också vara kvadratiska, rektangulära, elliptiska … Den axiella avböjningen av en kompressionsfjäder ger vridspänning i trådens tvärsnitt. Alla typer av spiralformade kompressionsfjädrar kan teoretiskt behandlas med hjälp av halvanalytisk metod så länge belastningen är axiell. Detaljerad analys av andra avböjningslägen kräver icke-linjär FE-analys.

Fjäderpinnar

Fjäderpinnar har sitt namn efter sin tillämpning inom jordbruket, där de används för jordbehandling eller höskörd. Från en fjäder synvinkel har de formen av en vridning våren med långa ben som utmärkande drag. De flesta fjäderpinnar är dubbla vridfjädrar, vilket innebär att varje tine har två lindade fjäderkroppar (en höger och en vänster).

I vårens konstruktion måste man överväga att belastningen är snarare en linjär avböjning av benspetsen som orsakas av en punktbelastning , snarare än en rotation och ett vridmoment.

Fjäderpinnar utsätts för mycket dynamisk belastning. Belastningsspektrumet är av naturen oförutsägbart, så design måste göras med tanke på de maximala dynamiska belastningscyklerna och med en säkerhetsmarginal.

Circlips (circlips)

Circlips är ringar som används för att låsa komponenter i axiell riktning. De har en förlängning i cirkumferential riktning mellan 270° och 360° och används för antingen innerenhet i ett hål eller utanför montering på en axel. Fjäderkravet som de behöver uppfylla är ofta begränsat till att utökas eller kontrakteras till den högsta eller lägsta diameter som krävs under monteringen. Denna expansion eller kontraktion måste vara inom det elastiska arbetsområdet för circlip.

Grader på ändarna av ett circlip kan vara skadligt för de omgivande komponenterna i sammansättningar säkras med circlips. Grader kan minimeras eller helt avlägsnas genom antingen speciella skärtekniker eller gradning. Stresslindring efter spolering är viktigt för circlips som utökas under monteringen. Varje plastdeformation under monteringen kommer att leda till förlust av låskraft jämfört med förväntat.

Vridning fjädrar

Spiralformade vridfjädrar används för rotationsrörelser och ger ett vridmoment när de avleds. I många applikationer används detta vridmoment ganska som en styrka som därefter motsvarar vridmomentet som delas med spaken beväpnar, som är vinkelrät distanserar mellan det agera fodrar av styrkan till centrera av fjädra. Vissa fjädrar som har formen av en spiralformad vridning kan teoretiskt bättre behandlas som trådformer.

Lasten införs i fjäderkroppen genom benen, som kan ha ett stort utbud av former. De grundläggande typerna av benen är emellertid tangentiellt, radiellt eller axiellt. Tangentiella ben är de enklaste, där benen helt enkelt följer tangenten vid den punkt där den lindade fjäderkroppen slutar. Radialben är antingen radiella inåt eller radiella utåt. Någon riktning mellan tangentiella och radiella ben är naturligtvis också möjligt, liksom ben böjda mer än 90 °. Flera böjar på benen är också möjliga och vanliga.

När det gäller alla vridfjädrar, är lasten idealiskt införs i fjädern som ett vridmoment snarare än av en punkt kraft. Detta innebär att avböjningen och spänningarna fördelas jämnare i fjädermaterialet om benen är fixerade. Ett kraftpar på benen ger bättre funktion och livslängd på våren jämfört med en enda kraft.

Kallspolade vridfjädrar har kvarvarande stress från spolningen och detta ger dem en högre elastisk gräns om de arbetar i upplindande riktning jämfört med den un-slingrande riktningen. De monteras ofta på en mandrel (även om det inte är nödvändigt om benen är ordentligt fixerade) och det måste säkras att diameterminskningen under att ladda i upp-linda riktning inte förhindras av mandrelen. Om det händer, benen kommer att vara den enda delen av våren som kan avleda och överbelastning som resulterar kommer att leda till våren misslyckande. Detsamma kommer att hända om det axiella utrymmet inte är tillräckligt för den ökning av längden som är ett resultat av belastning i upp-slingrande riktning.

Materialet i en spiralformad vridningsfjäder är stressat i böjning. Analysmetoder som genomförs i datorprogram används normalt för att förutsäga vridmoment-avböjning karakteristiska och spänningar. Dessa metoder bygger på antagandet att laster införs som vridmoment eller par och att böjningsspänningen är symmetriskt fördelad på våren. Benen bidrar med en stor del av avböjningen för fjädrar med få spolar och/eller långt lägger benen på ryggen, och detta måste därefter redogöras för i beräkningarna.

Vridstänger

En vridstång är i sin enklaste form den geometriskt enklaste av alla fjädertyper. Den aktiva delen av vridstången är sedan en rak tråd och ändarna kan böjas 90 för att möjliggöra överföring av ett vridmoment till vridstången. Fjäderhastigheten beror endast på trådens längd och materialkvalitet och tvärsnitt.

Denna typ av vridfjädrar är väl lämpad om den radiella dimensionen måste minimeras, men det finns utrymme i axiell riktning.

Förlängningsfjädrar

Förlängningsfjädrar är spiralformade spolefjädrar där kraften ökar med ökande längd. Ur en stressanalys synvinkel, de är mycket lika spiralformade kompressionsfjädrar. Den motsatta lastningsriktningen kräver dock vissa utmärkande egenskaper.

Ändarna på en förlängningsfjäder måste sända en förlängningskraft. Den vanligaste lösningen i ändarna är att böja tråden vid fjäderändarna till en form lämplig form. Detta kan vara en öppen krok eller en sluten slinga, kan den placeras för att centrera kraften längs fjäderaxeln eller ha den utanför centrum, kan höjden och diametern på slingan varieras inom gränserna för tillverkning.

Denna typ av integrerad ände i förlängningsfjädern blir ofta den svagaste länken i kedjan om fjädern används i en dynamisk applikation med många belastningscykler.

Detta beror på en stresskoncentration och en ogynnsam reststränsfördelning i böjen som behövs för kroken. För mycket dynamiska applikationer måste detta beaktas i designen, men istället för att designa hela fjädern med de låga stressnivåer som krävs för att kroken ska överleva används ofta lösningar med separata ändbeslag.

Spolarna är normalt lindade tätt och med en initial spänningskraft. Fjädern börjar avleda först när den yttre kraften är större än den ursprungliga spänningen. Den initiala spänningen minskar installationslängden för fjädern, jämfört med en fjäder utan initial spänning. Initial spänning är inte möjligt i förlängningsfjädrar som är härdade och härdat efter spolning. Det finns också fjäderkrav som gynnar en förlängningsfjäder utan initial spänning och gap mellan spolarna.

Volute fjädrar

Volute fjädrar används i kompression och tillverkade av material med rektangulärt tvärsnitt. Materialet är lindat till en konisk form med spolarna överlappande varandra. Under kompression av den volute fjädern, kan betydande friktion uppstå mellan spolar och volute fjädrar används ofta när energi behöver absorberas.

Stora volute fjädrar användes tidigare i järnvägsbuffertar, men har ersatts av ringfjädrar i många liknande tillämpningar.
Dubbla pumpiga fjädrar finns i trädgårdsförstörare och är lindade från en V-formad tom för att bilda en fjäder som är symmetrisk runt sitt axiella centrum.
Materialet är stressat främst i vridning, men stressfördelning och teoretisk behandling av volute fjädrar är ganska komplicerat.

Klocka fjädrar

Klockfjädrar är också vridfjädrar och är den direkta motsatsen till vridstänger om vi betänker formen på det tillgängliga utrymmet för fjäderfunktionen, eftersom vi ökar avböjningen i en klockfjäder genom att öka antalet spolar, vilket innebär att radiellt utrymme måste vara tillgängligt. De är tillverkade av material med rektangulärt tvärsnitt, som antingen är platt valsad tråd eller kall eller varmvalsad remsa.

Lasten förs in i fjädern via benen, vanligtvis en 90 inåt böj på den inre radien som är monterad i en slits i en axel. För ytterbenet är fler variationer i benform möjliga.

När det gäller spiralfjädrar, en belastning introduktion genom en kraft par som verkar på benen ger ett mycket bättre beteende och dynamisk livslängd för våren jämfört med belastning introduktion som en punkt kraft bara.

Klockfjädrar är tänkta att fungera utan kontakt mellan spolarna och därmed utan inre friktion. Detta är endast möjligt om lasten införs i fjädern på ett korrekt sätt, dvs via kraftpar snarare än punktkrafter. När avböjningen och antalet spolar ökar är det svårt att undvika kontakt mellan spolarna och vi rör oss gradvis mot en design som har fler likheter med kraftfjädrar.

Konstant kraft fjädrar

Konstant styrka fjädrar är fjädrar fjädrar förlängs, i det menande att styrka förhöjningar med längd. Förhöjningen i styrka är emellertid mycket liten, därför fjädrar den kända konstant styrkan. De består av en tätt sår spole av bandmaterial, som har fått en böjradie som är konstant under hela remsan. Fjädern monteras så att spolen kan rotera fritt – antingen på en axel eller i ett spår – och den yttre änden av spolen dras ut.

Den kraft som krävs för att dra den yttre änden ut, resulterar från en vridmomentbalans med böjningsmomentet som krävs för att räta ut remsan från dess naturliga böjradie. Det finns en maximal begränsning för den maximala kraften hos en konstant kraftfjädrar, men de kan ordnas i serie och parallellt för att öka både kraft och räckvidd. Sammansättningar kan också utformas för att använda fjädern som en kompressionsfjäder.

Skivfjädrar

Skivfjädrar – även kallad Belleville fjädrar – tillhör den typ av kompressionsfjädrar. De har formen av en axiellt symmetrisk, hålad konskiva vars konvinkel reduceras när den är laddad med en axiell kraft. Spänningarna i materialet kommer att vara normala påfrestningar i skivans omkretsriktning; tryckspänningar på den konvexa sidan och dragspänningar på den konkava sidan.

Skivfjädrar är ofta ett bättre alternativ än spiralformade kompressionsfjädrar i applikationer där krafterna är höga och avböjningarna är relativt små. Om det tillgängliga radialutrymmet är litet, talar detta också för skivfjädrar. Skivfjädrar kan användas som enstaka skiva, men det är vanligare att de staplas. Stapling kan vara antingen i serie, vilket ökar avböjningen, eller parallellt för att öka kraften. Kombinerad parallell och seriell stapling är också möjlig.

Skivfjädrar och buntar av skivfjädrar har en något degressiv kraft-avböjningsegenskap, vilket innebär att fjäderhastigheten minskar med avböjning. Hur uttalad denna effekt är beror främst på förhållandet mellan konhöjd och tjocklek.

Skivfjäderdimensioner standardiseras i EN 16983, och det är ofta möjligt att hitta en lösning med önskad fjäderkännetecken genom att stapla standardiserade skivor. Kundspecifika dimensioner är också möjliga. I EN 16983 är skivorna indelade i tredimensionella serier där Serie A har ett lågt förhållande mellan konhöjd och tjocklek och har därför en nästan linjär kraft-avböjningsegenskap. Serie C är klart degressiva skivor och Serie B mellan dessa två. Serie A är också styvare skivor (hög kraft och låg avböjning), Serie C är det motsatta.

EN 16983 skivor är också indelade i tre grupper beroende på materialtjocklek och motsvarande krav på tillverkningsprocessen. Grupp 1 är skivor med tjocklek mindre än 1,25 mm och grupp 2 från 1,25 till 6 mm tjocklek. Grupp 3 är skivor med tjocklek över 6 mm. Grupp 1 och 2 är ganska lika ur ett användarperspektiv. Grupp 3-skivor har plana kontaktytor vid den punkt där kraft överförs. Detta för att öka kontaktytan och minska kontakttrycket mellan skivor och mellan skivor och komponenter som överför kraften till skivfjäderstacken. Detta tillplattade kontaktområde har en bredd på endast ca 1/150 av den yttre diametern. Ändå ger det en ökad fjäderhastighet, vilket kompenseras genom tillverkning av skivor från ett material med minskad tjocklek.

Kraftfjädrar

Power fjädrar är det namn som används för platta spiralfjädrar med ett stort antal arbetssvängar. Den typiska applikationen är för att avveckla elektriska kablar eller säkerhetsbälten. De har likheter med tar tid på fjädrar, men remsalängden, och numrera av spolar är mycket större, och inre friktion är naturligt driver in fjädrar, sedan spolarna är i radiell kontakt med varje annan.

Lastintroduktionen i effektfjädrar liknar klockfjädrar, med ett radiellt inåtgående ben vid innersta spolen som passar i en axel som den vanligaste designen. Det yttre benet kan utformas med större frihet, men en fast yttre änden och lastintroduktion genom en kraft par ger en symmetrisk belastningsfördelning i spolarna och det bästa beteendet och dynamiskt liv på våren.

Power fjädrar kan antingen konventionellt lindas eller försträngas. Förspolning ökar vridmomentet och möjliggör design med upp till 50 arbetsvarv, medan konventionellt lindade fjädrar har en gräns på cirka 20 arbetsvarv. Dynamiskt liv är emellertid mindre för prestressed fjädrar.

Vi monterar ofta kraftfjädrar i deras sista hölje under tillverkningen, alternativt leverera dem med ett tillfälligt hölje som frigörs under montering i det slutliga höljet. En effektfjäder ska alltid förladdas ett par varv och antalet arbetsvarv räknas från denna förspänningsposition. Mängden förinläsning beror på designen. Från och med förspänningsläget är vridmomentvarvernas egenskap nära linjär upp till en lastningspunkt som lämnar ett par varv innan hela remsan är tätt sårad runt innerdiametern och fjädern är i sitt fasta läge.

Kraftfjädrar kan också användas som motorfjädrar, där den yttre änden av remsan lindas upp runt en andra axel. Om remsan lindas upp i motsatt riktning från sin fria form, kallas den en B-motor. Mindre vanliga är A-motor fjädrar, där remsan är vind i samma riktning som sin naturliga form.

vågfjädrar

Vinkar fjädrar tillhörde gruppkompressionen fjädrar, var styrkaförhöjningar med minskande längd. Vågfjädrarna är tillverkade av platt valsad tråd, vilket innebär ett nästan rektangulärt tvärsnitt men med naturligt rundade kanter. Materialet är lindat till en spiralformad form med en specificerad diameter och antal spolar, men dessutom tråden ges en vågform längs dess längd. Vågorna är nära sinusformade i sin form och antalet vågor per spole är vanligtvis 3,5 eller 4,5, men kan ha andra värden beroende på spole diameter. Decimaldelen av antalet vågor per spole är alltid 0,5, eftersom en vågspets ska mötas och vara i kontakt med vågdalen för nästa spole.

En vågfjäder är det bästa valet av kompressionsfjädertyp i tillämpning där det tillgängliga utrymmet för fjäderfunktionen har en torusform och är mycket smal i radiell riktning, och relativt höga krafter krävs för små installationslängder. Vinka fjädrar kan tillverkas med vinkar också i avsluta spolar, som ger inga döda spolar och en låg installationslängd. En platt ändspole (shimmed ände) minskar kontakttrycket men lägger till en död spole per ände och ökar därmed installationslängden.

Vågbrickor kan antingen stängas eller öppnas. Sluten vågbricka tillverkas genom stansning från plåt eller bandmaterial.

Öppna vågbrickor är normalt lindade från platt valsad tråd på samma sätt som vågfjädrar.

Spänningarna i materialet i vågfjädrar och vågbrickor böjer stress. Varje våg fungerar som en balk, som stöds vid kontaktpunkterna. Antalet vågor per spole har därför en stark inverkan på fjäderhastigheten, vilket ökar med den fjärde effekten av antalet spolar per våg.

Strumpeband fjädrar

Strumpebandsfjädrar används för att skapa en radiellt inåtgående kraft på en cirkulär geometri. En strumpebandsfjäder är en cirkel, skapad genom att ansluta de två ändarna av en rak, lindad spiralformad fjäder. Måtten på den raka spiralformade fjädern väljs för att uppnå önskad kraft-avböjningsegenskap för den cirkulära strumpebandsfjädern.