压缩弹簧的类型及计算

· 压缩弹簧在被压缩时储存机械能,在去除负荷时释放机械能。虽然压缩弹簧一般由弹簧钢制成,但也可能含有碳、镁、镍、铬、锡、铜、钨和铝。

· 不同的材料为压缩弹簧创造了不同程度的弹性和能量储存能力。

· 罗伯特-胡克早在1676年就提出了一个公式来计算弹簧所施加的力,这个力与它的伸展度成正比。

压缩弹簧是专门设计用来感应轴向压缩载荷的机械装置。它们通常也可以伸展以及旋转到一个点。一般来说,压缩弹簧在受到压缩载荷时可以储存机械能。一旦载荷被移除,它们将恢复到原来的形状和大小--经历弹性变形。

这种独特的储存势能的能力,加上其相对简单和便宜,使压缩弹簧在非常广泛的应用中具有宝贵的价值。从机械键盘按钮、床垫和圆珠笔,到枪支和汽车悬挂减震器。自15世纪以来,我们一直在使用压缩弹簧,当时第一个压缩弹簧被用于钟表装置。

压缩弹簧可以有许多不同的几何形状。最常见的是线圈或螺旋形弹簧。这种形状比其他形状更受欢迎,因为它允许无缝的高压缩和膨胀到一个点。它也更轻,因为使用更少的材料来满足吸收压缩负荷的需要。最后,螺旋弹簧的形状使这种类型具有相对较大的弹簧常数(后面会详细介绍)。

这个类别又被进一步划分为小类,包括:

锥形螺旋弹簧

--提供了一种替代性的、更平稳的抗压性。

筒状弹簧

--对压缩负荷提供非线性阻力,同时也提供进一步的稳定性。钉子中的扭转弹簧也是螺旋形的,不是压缩弹簧。

涡卷弹簧

-- 由多个分层线圈组成,在压缩时相互滑动。这种类型的弹簧适用于对元件施加巨大压缩载荷的应用。或者当弹簧被压缩到最大点时需要相当小的尺寸。涡卷弹簧的应用实例包括油箱悬挂装置和园艺用剪子。

弹匣弹簧

-- 主要用于需要压缩吸收元件的枪械,以适应某些不可能总是圆形或圆柱形的空间。这些专用弹簧的线圈可以是矩形或椭圆形的。而它们的末端通常有一个形成,可以用销钉固定。

嵌套弹簧

-- 嵌套弹簧是指在一个较大的弹簧内装有一个或多个弹簧。嵌套弹簧使设计师能够在有限的空间内获得更多的承重材料。因此,嵌套弹簧可以支持比单个弹簧所能承受的更大的负荷。

压缩弹簧的材料

压缩弹簧通常由弹簧钢制成,这是一类具有高屈服强度的钢。这使得它们可以在变形到极点的情况下仍然保持其原有的形状、尺寸和形态。因此,这些钢在受力时有很大的弹性变形空间。这是发生在分子水平上的事情,所以这些钢的成分对其弹性有很大影响。

一般来说,弹簧钢含有碳和锰,也可能含有镍、铬、钼、锡、钒、铜、铁、钨和铝。弹簧钢由ASTM官方根据其屈服强度和硬度进行分类,因此,不同的材料组成可以适用于不同的应用。例如,ASTM A228用于钢琴弦,含有0.7%-1%的碳和0.2%-0.6%的锰,其最大屈服强度为530兆帕,拉伸强度为400兆帕。

在本节中,我将重点介绍开卷螺旋弹簧,因为这些弹簧是最广泛使用的压缩弹簧。这些弹簧有一定的特性,对其性能有很大的意义。外径(D)是指从顶部看弹簧形成的圆柱体的直径。线圈直径是指弹簧线的厚度(d),也是圆柱形的。自由长度(L),是指没有受到任何压缩时的弹簧总长度,有效螺旋(na)和总螺旋(n)分别是储存和释放机械能的线圈数量和总线圈数(至少有两个是专门用于弹簧的末端/底座)。另一个重要的形态属性是旋转的方向,可以是左边或右边。

弹簧施加的力与它的伸展度成正比,这一定律是由罗伯特-胡克在1676年提出的,在第一个弹簧开始应用后的短短几年内。胡克向世界介绍了这个公式。"F = -kx",其中F是弹簧力,x是拉伸距离,k是弹簧常数,每个弹簧都不同,由制造商通过实验确定,或者由用户通过公式确定。"k = Gd4/[83dna]"。如前所述,桶形和锥形线圈是非线性弹簧,所以胡克定律对它们不适用。胡克定律不适用于已经变形或超出一般弹性极限的弹簧。

完全压缩的弹簧的力

为了计算出完全压缩弹簧的力,我们可以使用这个公式。Fmax = Ed4(L-nd)/[16(1+ν)(D-d)3n]。E是杨氏模量,d是钢丝直径,L是自由长度,n是有效螺旋线/线圈的数量,ν是泊松比,D是外径。很明显,其中一些是由设计者选择的钢材决定的,而其他的则是由弹簧的形式、形状和尺寸决定的。

设计考虑因素

当设计一个压缩弹簧时,首先要决定你要使用什么材料。然后从数据表中找到剪切模量(G)和抗拉强度(TS)。这两个因素对于确定应力的百分比非常重要,例如,在计算负荷要求时(100*σ/抗拉强度),计算出在诱发一定的负荷时弹簧被压缩的程度。

另一个重要的考虑因素是弹簧压缩到最大点时的直径。螺旋压缩弹簧在压缩时有增加直径的趋势。所以用公式 "膨胀={sq[(D-d)2+(p2-d2/π2)+d]-D}"来计算这个膨胀很重要。

弹簧的指数很重要,设计者试图保持在4到10的范围内。它的计算方法是 "C = (D-d/d)",它提供了一个很好的概念,即钢丝厚度与弹簧直径的比例。这将决定弹簧的整体强度(越小越强,但越大越容易被压缩)。

最后,线圈和有效线圈的数量是由弹簧末端的类型决定的。因此,如果两边都必须坐在一个基础平台上,总线圈必须比有效线圈多两个(每端一个)。现在,每英寸的线圈必须等于1/p,其中p是弹簧的选定间距,但你也可以反过来做。所以,知道了以英寸为单位的自由长度,我们就可以计算出线圈的数量为 "na = L/p"。

THE END
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