Kompressionsfjedre lagrer mekanisk energi, når de komprimeres, og frigiver mekanisk energi, når belastningen fjernes. Selvom kompressionsfjedre generelt er lavet af fjederstål, kan de også indeholde kulstof, magnesium, nikkel, krom, tin, kobber, wolfram og aluminium.
Forskellige materialer skaber forskellige grader af elasticitet og energilagringskapacitet til trykfjedre.
Robert Hooke foreslog en formel allerede i 1676 for at beregne kraften, der udøves af en fjeder, som er proportional med dens forlængelse.
Kompressionsfjedre er mekaniske enheder, der er specielt designet til at registrere aksiale trykbelastninger. De kan normalt også strække og rotere til et punkt. Generelt kan trykfjedre lagre mekanisk energi, når de udsættes for trykbelastninger. Når belastningen er fjernet, vil de vende tilbage til deres oprindelige form og størrelse - undergår elastisk deformation.
Denne unikke evne til at lagre potentiel energi, kombineret med dens relative enkelhed og overkommelige priser, gør kompressionsfjedre værdifulde i en bred vifte af applikationer. Fra mekaniske tastaturknapper, madrasser og kuglepenne til skydevåben og bilaffjedre støddæmpere. Siden det 15. århundrede har vi brugt trykfjedre, og den første trykfjeder blev brugt i urapparater.
Typer af trykfjedre
Kompressionsfjedre kan have mange forskellige geometriske former. De mest almindelige er spoler eller spiralfjedre. Denne form er mere populær end andre former, fordi den giver mulighed for sømløs høj kompression og ekspansion til et punkt. Den er også lettere, fordi den bruger færre materialer for at imødekomme behovet for at optage trykbelastninger. Endelig giver spiralfjederens form denne type en relativt stor fjederkonstant (hvilket vil blive forklaret i detaljer senere).
Denne kategori er yderligere opdelt i underkategorier, herunder:
Materiale af trykfjeder
Kompressionsfjedre er normalt lavet af fjederstål, som er en type stål med høj flydespænding. Dette giver dem mulighed for at bevare deres oprindelige form, størrelse og form, selv når de er deformeret til det ekstreme. Derfor har disse stål et stort elastisk deformationsrum under stress. Dette sker på molekylært niveau, så sammensætningen af disse stål har en væsentlig indflydelse på deres elasticitet.
Generelt indeholder fjederstål kulstof og mangan, såvel som nikkel, krom, molybdæn, tin, vanadium, kobber, jern, wolfram og aluminium. Fjederstål er klassificeret af den officielle ASTM baseret på dets flydespænding og hårdhed, så forskellige materialesammensætninger kan være egnede til forskellige anvendelser. For eksempel bruges ASTM A228 til klaverstrenge, der indeholder 0,7% -1% kulstof og 0,2% -0,6% mangan, med et maksimalt udbytte styrke på 530 megapascal og en trækstyrke på 400 megapascal.
Karakteristika for kompressionsfjedre
I dette afsnit vil jeg fokusere på at introducere udrullede spiralfjedre, da disse fjedre er de mest udbredte trykfjedre. Disse fjedre har visse egenskaber, som har stor betydning for deres ydeevne. Den ydre diameter (D) refererer til diameteren af cylinderen dannet af fjederen set fra toppen. Spolediameteren refererer til tykkelsen (d) af fjedertråden, som også er cylindrisk. Den frie længde (L) refererer til fjederens totale længde uden nogen form for kompression, mens den effektive helix (na) og total helix (n) er antallet af spoler, der lagrer og frigiver mekanisk energi, og antallet af bus-spoler ( mindst to er dedikeret til enden/bunden af fjederen). En anden vigtig morfologisk egenskab er rotationsretningen, som kan være venstre eller højre.
Den kraft, som en fjeder udøver, er proportional med dens forlængelse, en lov foreslået af Robert Hooke i 1676, inden for et par korte år efter den første fjeders anvendelse. Hooke introducerede denne formel til verden. "F=- kx", hvor F er fjederkraften, x er strækafstanden, og k er fjederkonstanten. Hver fjeder er forskellig og bestemmes af producenten gennem eksperimenter eller af brugeren gennem formler. K=Gd4/[83dna]. Som tidligere nævnt er cylinder- og koniske spoler ikke-lineære fjedre, så Hookes lov gælder ikke for dem. Hookes lov gælder ikke for fjedre, der allerede er deformeret eller overskredet den generelle elasticitetsgrænse.
Kraften af en fuldt komprimeret fjeder
For at beregne kraften af den fuldt komprimerede fjeder kan vi bruge denne formel. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E er Youngs modul, d er diameteren af ståltråden, L er den frie længde, og n er antallet af effektive helixer/spoler, ν Det er Poissons forhold, og D er den ydre diameter. Det er indlysende, at nogle af dem er bestemt af det stål, designeren har valgt, mens andre er bestemt af fjederens form, form og størrelse.
Designovervejelser
Når du designer en trykfjeder, er den første ting at beslutte, hvilket materiale du vil bruge. Find derefter forskydningsmodulet (G) og trækstyrken (TS) fra datatabellen. Disse to faktorer er afgørende for bestemmelse af spændingsprocenten, for eksempel ved beregning af belastningskrav (100* σ/ Beregn i hvilken grad fjederen komprimeres, når en bestemt belastning induceres, baseret på trækstyrken.
En anden vigtig overvejelse er fjederens diameter, når den er komprimeret til sit maksimale punkt. Spiralkompressionsfjedre har en tendens til at stige i diameter under kompression. Så det er vigtigt at beregne denne udvidelse ved hjælp af formlen "udvidelse={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
Fjederens indeks er vigtigt, og designere forsøger at holde det inden for intervallet 4 til 10. Dens beregningsmetode er "C=(Dd/d)", som giver et godt billede af forholdet mellem ledninger tykkelse til fjederdiameter. Dette vil bestemme fjederens samlede styrke (mindre er stærkere, men større er lettere at komprimere).
