Druckfedern speichern mechanische Energie, wenn sie zusammengedrückt werden, und geben mechanische Energie ab, wenn die Last entfernt wird. Obwohl Druckfedern im Allgemeinen aus Federstahl bestehen, können sie auch Kohlenstoff, Magnesium, Nickel, Chrom, Zinn, Kupfer, Wolfram und Aluminium enthalten.
Unterschiedliche Materialien sorgen für unterschiedliche Elastizitätsgrade und Energiespeicherkapazitäten für Druckfedern.
Robert Hooke schlug bereits 1676 eine Formel zur Berechnung der von einer Feder ausgeübten Kraft vor, die proportional zu ihrer Dehnung ist.
Druckfedern sind mechanische Geräte, die speziell zur Erfassung axialer Druckbelastungen entwickelt wurden. Sie können sich meist auch bis zu einem Punkt dehnen und drehen. Im Allgemeinen können Druckfedern bei Druckbelastung mechanische Energie speichern. Nach Entlastung kehren sie unter elastischer Verformung in ihre ursprüngliche Form und Größe zurück.
Diese einzigartige Fähigkeit, potenzielle Energie zu speichern, kombiniert mit ihrer relativen Einfachheit und Erschwinglichkeit, macht Druckfedern für eine Vielzahl von Anwendungen wertvoll. Von mechanischen Tastaturtasten, Matratzen und Kugelschreibern bis hin zu Schusswaffen und Stoßdämpfern für Autoaufhängungen. Seit dem 15. Jahrhundert verwenden wir Druckfedern, und die erste Druckfeder wurde in Uhrwerken verwendet.
Arten von Druckfedern
Druckfedern können viele verschiedene geometrische Formen haben. Am gebräuchlichsten sind Spiral- oder Spiralfedern. Diese Form ist beliebter als andere Formen, da sie eine nahtlose hohe Kompression und Expansion bis zu einem Punkt ermöglicht. Außerdem ist es leichter, da weniger Materialien zur Aufnahme von Druckbelastungen benötigt werden. Schließlich verleiht die Form der Schraubenfeder diesem Typ eine relativ große Federkonstante (was später im Detail erläutert wird).
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Material der Druckfeder
Druckfedern bestehen in der Regel aus Federstahl, einer Stahlsorte mit hoher Streckgrenze. Dadurch behalten sie auch bei extremer Verformung ihre ursprüngliche Form, Größe und Form. Daher verfügen diese Stähle unter Belastung über einen großen elastischen Verformungsraum. Dies geschieht auf molekularer Ebene, sodass die Zusammensetzung dieser Stähle einen erheblichen Einfluss auf ihre Elastizität hat.
Im Allgemeinen enthält Federstahl Kohlenstoff und Mangan sowie Nickel, Chrom, Molybdän, Zinn, Vanadium, Kupfer, Eisen, Wolfram und Aluminium. Federstahl wird von der offiziellen ASTM anhand seiner Streckgrenze und Härte klassifiziert, sodass unterschiedliche Materialzusammensetzungen für unterschiedliche Anwendungen geeignet sein können. Beispielsweise wird ASTM A228 für Klaviersaiten verwendet, das 0,7 % -1 % Kohlenstoff und 0,2 % -0,6 % Mangan enthält, mit einer maximalen Ausbeute Festigkeit von 530 Megapascal und eine Zugfestigkeit von 400 Megapascal.
Eigenschaften von Druckfedern
In diesem Abschnitt werde ich mich auf die Einführung von ungewickelten Schraubenfedern konzentrieren, da diese Federn die am häufigsten verwendeten Druckfedern sind. Diese Federn weisen bestimmte Eigenschaften auf, die für ihre Leistung von großer Bedeutung sind. Der Außendurchmesser (D) bezieht sich auf den Durchmesser des von der Feder gebildeten Zylinders von oben gesehen. Der Windungsdurchmesser bezieht sich auf die Dicke (d) des ebenfalls zylindrischen Federdrahtes. Die freie Länge (L) bezieht sich auf die Gesamtlänge der Feder ohne Kompression, während die effektive Helix (na) und die Gesamthelix (n) die Anzahl der Spulen sind, die mechanische Energie speichern und abgeben, und die Anzahl der Busspulen ( mindestens zwei davon sind dem Ende/der Basis der Feder gewidmet. Ein weiteres wichtiges morphologisches Merkmal ist die Drehrichtung, die links oder rechts sein kann.
Die von einer Feder ausgeübte Kraft ist proportional zu ihrer Dehnung, ein Gesetz, das Robert Hooke 1676 wenige Jahre nach der Anwendung der ersten Feder vorschlug. Hooke stellte diese Formel der Welt vor. „F=- kx“, wobei F die Federkraft, x die Dehnstrecke und k die Federkonstante ist. Jede Feder ist anders und wird vom Hersteller durch Experimente oder vom Anwender durch Formeln ermittelt. K=Gd4/[83dna]. Wie bereits erwähnt, sind tonnenförmige und konische Spulen nichtlineare Federn, sodass das Hookesche Gesetz auf sie nicht anwendbar ist. Das Hookesche Gesetz gilt nicht für Federn, die sich bereits verformt haben oder die allgemeine Elastizitätsgrenze überschritten haben.
Die Kraft einer vollständig komprimierten Feder
Um die Kraft der vollständig komprimierten Feder zu berechnen, können wir diese Formel verwenden. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E ist der Elastizitätsmodul, d ist der Durchmesser des Stahldrahts, L ist die freie Länge und n ist die Anzahl der effektiven Helices/Spulen, ν ist das Poisson-Verhältnis und D ist der Außendurchmesser. Es ist offensichtlich, dass einige von ihnen durch den vom Designer gewählten Stahl bestimmt werden, während andere durch die Form, Form und Größe der Feder bestimmt werden.
Entwurfsüberlegungen
Bei der Konstruktion einer Druckfeder müssen Sie zunächst entscheiden, welches Material Sie verwenden möchten. Ermitteln Sie dann den Schubmodul (G) und die Zugfestigkeit (TS) aus der Datentabelle. Diese beiden Faktoren sind entscheidend für die Bestimmung des Spannungsanteils, beispielsweise bei der Berechnung der Lastanforderungen (100* σ/). Berechnen Sie anhand der Zugfestigkeit, wie stark die Feder zusammengedrückt wird, wenn eine bestimmte Last induziert wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Durchmesser der Feder, wenn sie maximal komprimiert ist. Spiraldruckfedern neigen dazu, beim Zusammendrücken ihren Durchmesser zu vergrößern. Daher ist es wichtig, diese Entwicklung mit der Formel „expansion={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] – D}“ zu berechnen.
Der Index der Feder ist wichtig und die Konstrukteure versuchen, ihn im Bereich von 4 bis 10 zu halten. Die Berechnungsmethode ist „C=(Dd/d)“, die eine gute Vorstellung vom Drahtverhältnis liefert Dicke zu Federdurchmesser. Dadurch wird die Gesamtstärke der Feder bestimmt (je kleiner, desto stärker, aber größer, desto leichter lässt sie sich komprimieren).
