Sprievodca dizajnom tlačných pružín: Vzorce, materiály a tipy na výrobu

Čo musíte najskôr získať správne v dizajne kompresnej pružiny

O výkone každého rozhoduje päť čísel tlačná pružina : priemer drôtu, stredný priemer cievky, počet aktívnych cievok, voľná dĺžka a šmykový modul materiálu drôtu. Keď sú tieto nastavené, tuhosť pružiny, maximálne napätie, pevná výška a použiteľná výchylka nasledujú ako pevné výstupy. Uveďte týchto päť správne a zvyšok dizajnérskej práce je overenie; pomýlite sa a pružina bude zle sedieť vo vývrte, predčasne sa unaví alebo nikdy nedosiahne cieľové zaťaženie.

Praktický záver z viac ako 28 rokov výroby zariadení na výrobu pružín je jednoduchý: začnite s inštalovaným priestorom a požiadavkou na vychýlenie zaťaženia, vyberte index pruženia medzi 4 a 12 a ťažkú ​​záťaž nechajte na vzorec tuhosti pruženia. Potom skontrolujte napätie, skontrolujte pomer dĺžky k priemeru a vždy ponechajte vôľu nad pevnou výškou. Tlačná pružina, ktorá v prevádzke dosiahne pevnú výšku, je pružina, ktorá znesie dramatický skok v namáhaní.

• Priemer drôtu (d) kontroluje rýchlosť, stres a náklady. Pretože vzorec používa štvrtú mocninu d, 10% zmena priemeru drôtu zmení tuhosť pružiny približne o 46%.
• Stredný priemer cievky (D) nastavuje lícovanie vo vnútri otvoru alebo cez tyč. Ovplyvňuje tiež priamo napätie, takže menšie D znamená tuhšiu pružinu a vyššie napätie.
• Aktívne cievky (Na) sú cievky, ktoré sa skutočne ohýbajú. Pridaním aktívnych cievok sa pružina zjemní.
• Voľná dĺžka (Lf) určuje dostupný zdvih, pevnú výšku a riziko vybočenia.
• Modul šmyku (G) je vlastnosťou zvoleného materiálu. Pre oceľový drôt sa hodnota drží blízko 79 300 N/mm², ale nehrdzavejúca oceľ a bronz sú výrazne nižšie.

Na poradí záleží. Nezačínajte s voľnou dĺžkou alebo stúpaním. Začnite s d, D, Na, Lf a G - všetko ostatné je odvodené.

Čo je to kompresná pružina a ako uchováva energiu

Tlačná pružina je špirálová pružina s otvorenou špirálou vytvorená z okrúhleho drôtu s rozstupom medzi závitmi, takže pružina sa môže skrátiť, keď pôsobí axiálne tlakové zaťaženie. Po odstránení záťaže sa pružina vráti do pôvodnej voľnej dĺžky. Priestor medzi závitmi nie je kozmetický: definuje kapacitu vychýlenia pružiny.

Tlačné pružiny sú najbežnejšie vyrábaným typom pružín na svete. Objavujú sa vo ventiloch motorov, závesných systémoch, zámkoch dverí, elektrických kontaktoch, lekárskych striekačkách, priemyselných bezpečnostných ventiloch a leteckých pohonoch. V týchto aplikáciách pružina vykonáva jednu z troch úloh: odoláva sile, uchováva energiu na neskoršie uvoľnenie alebo vracia diel do definovanej polohy po posunutí.

Princíp činnosti je krútenie, nie ohýbanie

Keď je tlačná pružina stlačená, drôt sa krúti okolo svojej vlastnej osi. Toto krútenie vytvára šmykové napätie v priereze drôtu a nameraným výsledkom je tlaková sila pozdĺž osi pružiny. V normálnom prevedení pružina pracuje v elastickom rozsahu, kde je priehyb úmerný zaťaženiu. Pomer zaťaženia k priehybu je tuhosť pružiny, vyjadrená v newtonoch na milimeter (N/mm) alebo librách na palec (lb/in).

Kde sú špecifikované tlačné pružiny

Dizajnéri špecifikujú tlačné pružiny, keď sila musí zostať predvídateľná pri pevnom pohybe, keď je montážny priestor obmedzený, alebo keď mechanizmus vyžaduje jednoduchú a spoľahlivú vratnú silu. V porovnaní s inými typmi pružín je valcová tlačná pružina lacná na výrobu, ľahko sa vypočíta a dá sa priamo hromadne vyrábať na CNC strojoch na navíjanie pružín. Kompromisom je, že potrebuje bočnú podporu, ak je voľná dĺžka dlhá vzhľadom na stredný priemer.

Kľúčové parametre, ktoré musíte definovať v každom dizajne

V tabuľke nižšie sú uvedené štandardné sady parametrov pre valcovú tlačnú pružinu. Tieto symboly sa riadia konvenciami používanými v bežných odkazoch na dizajn pružín, takže sa prekladajú priamo do vzorcov v ďalšej časti.

Priemer drôtu, stredný priemer a index pružiny

Index pružiny C je pomer stredného priemeru k priemeru drôtu. Pružina s C pod 3 sa veľmi ťažko navíja bez prasknutia povrchu drôtu, pretože vnútorná strana drôtu je stlačená nad praktické hranice. Pružina s C nad 12 sa ľahko navíja, ale je náchylná na zamotanie, je citlivá na toleranciu a s väčšou pravdepodobnosťou bude vibrovať alebo rázovať. Dizajnový sweet spot je C medzi 4 a 12; pre presné pružiny sa zamerajte na 6 až 10.

Aktívne cievky verzus celkové cievky

Pri kompresii sa ohýbajú iba aktívne cievky. Koncové cievky, ktoré sú stlačené naplocho, sa dotýkajú ďalšej cievky a už neprispievajú k vychýleniu. V dizajne uzavretého a uzemneného konca s dvoma koncovými cievkami sa počet aktívnych cievok rovná celkovému počtu cievok mínus dve. Použitie nesprávneho počtu cievok vo vzorci je zodpovedné za mnohé neúspešné prototypy pružín.

Voľná dĺžka, plná výška a rozstup

Voľná dĺžka a pevná výška definujú dostupnú dráhu. Pružina nemôže byť pri normálnej prevádzke nikdy stlačená do pevnej výšky; pri tom prudko zvyšuje stres a často zanecháva trvalý súbor. Bežným pravidlom je dodržať aspoň 10 % až 15 % maximálneho vychýlenia ako vôle nad pevnou výškou. Rozstup sa potom nastaví tak, aby sa voľná dĺžka prispôsobila montážnemu priestoru a zároveň poskytla potrebnú dráhu.

Koncové typy a ich vplyv na výkon pružiny

Konečná úprava je prvým výrobným rozhodnutím v dizajne. Mení počet aktívnych cievok, pravouhlosť pružiny a cenu. Pre tlačné pružiny existujú štyri bežné koncové konfigurácie.

Prečo sú uzavreté a uzemnené konce presným štandardom

Uzavretá a uzemnená pružina stojí kolmo na svoje sedlo, rozdeľuje zaťaženie rovnomerne po celej ploche zeme a pri stlačení sa neotáča. To je dôvod, prečo sú ventilové pružiny, pružiny lekárskych prístrojov a nástrojové pružiny takmer vždy špecifikované s uzavretými a brúsenými koncami. Operácia brúsenia tiež odstraňuje povrchovú vrstvu drôtu na koncoch, kde môžu začať praskliny. Nárast nákladov je mierny, ale zlepšenie stability sedadiel je výrazné.

Keď je obyčajný koniec dosť dobrý

Ak je pružina krátka a podopretá vo vrecku, alebo ak dráha zaťaženia nie je kritická, hladký koniec šetrí peniaze. Priemyselné tlačné pružiny v zámkových mechanizmoch, elektrických spínačoch a baliacich strojoch bežne používajú hladké alebo uzavreté neuzemnené konce. Konštrukcia by mala stále overovať, či sa pružina na začiatku stláčania nepreklopí nabok.

Výber materiálu: Začnite s modulom šmyku, potom skontrolujte prostredie

Vzorec tuhosti pružiny používa šmykový modul G pred akoukoľvek inou vlastnosťou materiálu. G je materiálová konštanta a nemení sa tepelným spracovaním, spracovaním za studena alebo tvrdosťou. Čo sa mení tepelným spracovaním, je pevnosť v ťahu, ktorá stanovuje prípustné napätie. Preto výber materiálu určuje ako tuhosť pružiny, tak aj nosnosť konštrukcie.

Pri väčšine aplikácií sa rozhodnutie o materiáli skladá z niekoľkých otázok: Vidí pružina vlhkosť alebo chemikálie? Aká je prevádzková teplota? Koľko cyklov prežije? Je relevantná korózia alebo elektrická vodivosť? V tabuľke nižšie sú uvedené bežne používané materiály pružinového drôtu s ich typickým modulom šmyku a teplotnými limitmi. Tieto hodnoty sa riadia publikovanými materiálovými údajmi použitými v odkazoch na dizajn pružín, ako sú manuály na návrh pružín SAE a dátové listy dodávateľov drôtov.

Pretože vzorec tuhosti pruženia využíva štvrtú mocninu priemeru drôtu, prechod z uhlíkovej ocele na nehrdzavejúcu oceľ nemení tuhost pruženia tak, ako ľudia očakávajú; 10% až 15% pokles G môže byť kompenzovaný veľmi malým zvýšením d. Vyššie uvedená porovnávacia tabuľka materiálov je východiskovým bodom a celá logika výberu vrátane povrchovej úpravy a vlastností podávania drôtu pre výrobu je zahrnutá v našom sprievodcovi výber pružinového materiálu na výrobu pružinového stroja .

Základné vzorce: rýchlosť pružiny, napätie a deformácia

Vzorec jarnej sadzby

Tuhost pružiny valcovej tlačnej pružiny je:

k = G x d ⁴ / (8 × D ³ × Nie)

kde k je rýchlosť pruženia v N/mm, G je šmykový modul v N/mm², d je priemer drôtu v mm, D je stredný priemer závitu v mm a Na je počet aktívnych závitov. Udržujte všetky jednotky konzistentné; miešanie milimetrov a metrov je najčastejšou chybou.

Wahlov faktor a šmykové napätie

Vzorec priameho šmykového napätia pre špirálovú pružinu pri zaťažení F je 8FD/(πd³). Tým sa zanedbáva zakrivenie drôtu, ktoré koncentruje napätie na vnútornej strane cievky. Wahlov faktor K_w koriguje tento efekt:

K_w = (4C − 1)/(4C − 4) 0,615/C

kde C je pružinový index. Korigované šmykové napätie je τ = K_w × 8FD/(πd³). Pri pružinovom indexe 7 je Wahlov faktor len asi 1,21; pri indexe 3 sa vyšplhá nad 1,62. To je dôvod, prečo vždy kontrolujete napätie pri nízkom indexe pruženia.

Spracovaný príklad: 2 mm drôt, 14 mm stredný priemer

Navrhnite tlačnú pružinu s hudobným drôtom (G = 79 300 N/mm²), priemer drôtu d = 2,0 mm, stredný priemer závitu D = 14 mm a Na = 8 aktívnych závitov. Celkový počet cievok s uzavretými a uzemnenými koncami: Nt = Na2 = 10.

Krok 1 – Pružinový index: C = D/d = 14/2 = 7, v rámci odporúčaného rozsahu 4 až 12.

Krok 2 – Rýchlosť pružiny: k = 79 300 × 16 / (8 × 2 744 × 8) = 1 268 800 / 175 616 = 7,22 N/mm .

Krok 3 – Deformácia pri zaťažení 120 N: s = 120 / 7,22 = 16,6 mm . Voľná ​​dĺžka je 45 mm, takže stlačená dĺžka pri zaťažení je 28,4 mm.

Krok 4 – Plná výška: Ls ≈ Nt × d = 10 × 2 = 20 mm . Svetlá výška nad plným priestorom je 28,4 − 20 = 8,4 mm, čo je asi 28 % dráhy vychýlenia – bezpečne nad odporúčanou hranicou 10 % až 15 %.

Krok 5 – Kontrola stresu: K_w = 1,21; τ = 1,21 × 8 × 120 × 14 / (π × 8) = 647 N/mm² . Typické prípustné šmykové napätie pre hudobný drôt pri tomto priemere je okolo 45 % minimálnej pevnosti v ťahu, približne 900 N/mm², takže konštrukcia funguje s pohodlnou, ale nie nadmernou rezervou. Tieto prípustné percentá napätia pochádzajú zo štandardných návrhov pružín a presné číslo závisí od stupňa pevnosti drôtu dodaného dodávateľom.

Praktické pravidlá dizajnu z hľadiska výroby

Pružina, ktorá vyzerá na papieri dokonale, môže byť náročná alebo drahá na výrobu. Nižšie uvedené pravidlá vychádzajú skôr z praktických skúseností s navíjacími, brúsnymi a temperovacími zariadeniami než zo samotnej učebnicovej teórie.

Udržujte jarný index medzi 3 a 12

Pod hodnotou 3 sa povrch drôtu na vnútornom polomere počas navíjania príliš napína a tŕň vníma nadmerný tlak nástroja. Nad 12 je pružina krehká pri manipulácii, tolerancie priemeru sa držia ťažšie a priľahlé závity sa môžu pri miernom bočnom zaťažení dotýkať. Väčšina CNC pružinových strojov produkuje svoju najstabilnejšiu kvalitu medzi indexom 4 a 10.

Sledujte pomer dĺžky k priemeru pre vzpieranie

Tlačná pružina sa správa ako štíhly stĺp: nad určitým pomerom voľnej dĺžky k strednému priemeru sa pri zaťažení vybočí do strán. Pre paralelne podopreté pružiny je kritický pomer asi 4. Ak Lf/D presiahne 4, konštrukcia potrebuje vodiacu tyč, vonkajšie puzdro alebo kužeľovitý tvar pružiny. Vybočenie je problém geometrie, nie problém materiálu; zmena triedy drôtu to nevyrieši.

Zadajte tolerancie, ktoré môže stroj skutočne udržať

Typické výrobné tolerancie pre tlačné pružiny sa merajú podľa indexu pružiny. Primeraným pracovným predpokladom je tolerancia vonkajšieho priemeru približne ±1 % pre index do 8 a ±1,5 % až ±2 % pre index nad 10. Tolerancie voľnej dĺžky ±1 % až ±2 % sú reálne; užšia tolerancia voľnej dĺžky si zvyčajne vyžaduje ďalšie triedenie alebo brúsenie. Tolerancia tuhosti pružiny vyplýva z tolerancie priemeru drôtu, takže ak potrebujete veľmi presnú rýchlosť, musíte pevne kontrolovať d proti prúdu.

• Špecifikujte kontrolovaný priemer: OD, ak pružina sedí v otvore, ID, ak sa posúva po tyči.
• Nevyžadujte užšie tolerancie, ako je funkčne nevyhnutné; každých ďalších 0,1 mm presnosti zvyšuje náklady na nástroje a kontrolu cievky.
• V prípade vysoko namáhaných pružín pridajte test trvalého nastavenia, ktorý stlačí pružinu na pevnú výšku stanovený počet krát pred konečnou kontrolou voľnej dĺžky.

Dizajn pre CNC navíjanie

Viacosové CNC navíjacie stroje ovládajú rozstup, priemer, dĺžku posuvu a uhol rezu v jednom prechode. To znamená, že dizajn môže zahŕňať premenlivé stúpanie, zníženú koncovú cievku alebo zmenu uhla skrutkovice bez výmeny nástrojov. 5-osový CNC stroj na tvarovanie pružín udržuje presnosť stúpania v rozsahu potrebnom pre väčšinu presných špirálových pružín, takže dizajnér by mal špecifikovať stúpanie ako riadený rozmer a nie ako odvodenú hodnotu. Ak je rozstup kritický pre správanie sa rázov, všimnite si, že na výkrese; dizajn s konštantným stúpaním je vždy ľahšie overiteľný vo výrobe.

Ukončite brúsenie, uvoľnenie napätia a dokončovacie kroky

Prečo uzavreté a uzemnené konce potrebujú brúsenie

Keď sú koncové cievky uzavreté, koncový povrch je stále nepravidelný. Brúsením sa koniec sploští po celej šírke drôtu a pružina bude stáť kolmo. Kvalita brúsenia sa posudzuje podľa dvoch výstupov: plochá šírka brúsenej plochy a pravouhlosť konca vzhľadom na os pružiny. Pre presné zostavy špecifikácie bežne vyžadujú, aby aspoň 75 % obvodu konca drôtu bolo uzemnených naplocho. A CNC pružinová brúska riadi posuv brúsnych kotúčov a čas zotrvania, takže vznikajúce teplo nespáli povrch drôtu. Prílišné brúsenie zmenšuje prierez drôtu a oslabuje koncové cievky, zatiaľ čo podbrúsenie zanecháva kývavé sedlo.

Výrobcovia CNC pružinových brúsok, dodávatelia OEM/ODM - stroj WNJ Ako čínsky výrobca OEM / ODM CNC pružinových brúsok a dodávatelia pružinových brúsok, Omnipotent Spring Machine Co., Ltd ponúka... Zobraziť produkt →

Úľava od stresu a temperovanie po zvinutí

Navíjanie studeného drôtu spôsobuje značné zvyškové napätie, najmä na vnútornom polomere každej cievky. Uvoľnenie napätia sa dosiahne krátkym zahriatím hotovej pružiny na teplotu, ktorá závisí od materiálu: hudobný drôt sa zvyčajne uvoľní okolo 180 °C až 230 °C, olejom temperovaný drôt okolo 230 °C až 260 °C a zliatiny chrómu a kremíka okolo 350 °C až 430 °C. Cieľom je stabilizovať rozmery a zlepšiť únavovú životnosť bez zmäkčenia drôtu. Temperovacie pece používané v obchodoch s pružinami udržiavajú rovnomernú teplotu v celom náklade, takže každá pružina v dávke dostane rovnaké ošetrenie; nerovnomerné temperovanie je bežnou príčinou variácií voľnej dĺžky od šarže k šarži.

Striekanie a prednastavenie

V prípade pružín, ktoré musia prežiť milióny cyklov, brokovaním stláča povrch drôtu a posúva pôvod únavových trhlín pod pole napätia. Prednastavenie, tiež nazývané nastavenie kompresného zvyškového napätia, zahŕňa stlačenie pružiny do pevnej výšky raz alebo niekoľkokrát, aby sa vyvolalo prospešné zvyškové napätie na vnútornom vlákne. Oba procesy sú štandardné pre ventilové pružiny a závesné pružiny, ale zvyšujú náklady; používajte ich len vtedy, keď si to život vyžaduje.

Prevedenie dizajnu od výkresu po výrobu

Prototypy a vzorky

Predtým, ako sa pustíte do plnej výroby, spustite malú dávku, aby ste si overili tri veci: nameranú tuhosť pružiny, voľnú dĺžku po uvoľnení napätia a celkovú výšku. Ak je meraná rýchlosť vypnutá, skontrolujte najprv skutočný priemer drôtu, pretože štvrtá mocnina zväčšuje aj 0,02 mm toleranciu drôtu na viditeľný posun rýchlosti. Potom skontrolujte, či počet aktívnych cievok zodpovedá konečnej úprave skutočne vyrobenej na stroji; uzavretá a uzemnená pružina vyrobená s jednou koncovou cievkou navyše sa bude správať mäkšie, ako sa vypočítalo.

Výber typu stroja pre výrobu

Na type stroja záleží rovnako ako na výkrese. Čistá valcová tlačná pružina s konštantným stúpaním a brúsenými koncami je štandardná práca pre stroj na navíjanie pružín, po ktorom nasleduje stroj na brúsenie koncov. Pružina s premenlivým stúpaním, kužeľovitým tvarom alebo zahnutou nohou vyžaduje viac osí. A 12-osový CNC pružinový bezvačkový stroj zvláda zložitú geometriu, pretože každá pracovná os sa pohybuje nezávisle a neexistuje žiadna vačka, ktorú by bolo možné meniť medzi radmi produktov. Výrobná cesta od drôtu po hotovú pružinu vrátane navíjania, koncového brúsenia a tepelného spracovania je popísaná krok za krokom v našom článku na ako vyrábať pružiny .

Zákazkový CNC-1225 12AXES CNC SPRING CAMLESS MACHINE Factory, Comapny - WNJ Machine Zhejiang Omnipotent Spring Machine Co., Ltd (WNJ Machine) je veľkoobchodná čínska továreň CNC-1225 12AXES CNC SPRING CAMLESS MACHINE a spol. Zobraziť produkt →

Overenie špecifické pre aplikáciu

Tlačná pružina, ktorá pracuje v západke dverí, môže vo vstrekovači paliva zlyhať, pretože frekvencia činnosti je iná a dynamické správanie pružiny sa mení. Tlačné pružiny používané v automobilové a mobilné aplikácie musí byť skontrolovaná frekvencia rázov, únavová životnosť a relaxácia pri prevádzkovej teplote. Výkresy vytvorené dizajnérom sú len začiatkom; výrobné zariadenie musí držať geometriu konzistentne cez tisíce kusov.

Často kladené otázky o dizajne tlačných pružín

1. Aký je najrýchlejší spôsob výpočtu tuhosti pružiny tlačnej pružiny?

Použite k = G x d4 / (8 x D3 x Na). Zmerajte d, D a Na v konzistentných jednotkách. Výsledok je priamo v N/mm, keď G je v N/mm² a všetky rozmery sú v mm. Najčastejšou chybou je miešanie meradla s fyzickým priemerom drôtu.

2. Na aký pružinový index by som sa mal zamerať?

Zamerajte sa na index pruženia medzi 4 a 12, pričom 6 až 10 je preferovanou zónou pre presné pružiny. Pod 4 je drôt nadmerne namáhaný na vnútornom polomere; nad 12 sa s pružinou ťažko manipuluje, je navíjanie presne a dôsledné meranie.

3. Kedy by som mal špecifikovať uzavreté a uzemnené konce?

Uveďte uzavreté a brúsené konce, keď pružina musí stáť kolmo, sedieť vo výklenku s plochým sedlom alebo niesť cyklické zaťaženie. Ventilové pružiny, silomery a pružiny lekárskych nástrojov používajú uzavreté a brúsené konce. Rovné konce sú prijateľné pre nízkonákladové aplikácie s nízkym cyklom, kde je pružina vedená tyčou alebo kapsou.

4. Hudobný drôt alebo nehrdzavejúca oceľ – čo si mám vybrať?

Vyberte si hudobný drôt pre najvyššiu pevnosť a najlepšiu únavovú životnosť v suchom, vnútornom, nekorozívnom prostredí. Vyberte si nehrdzavejúcu 302 alebo 304, keď pružina vidí vlhkosť, chemikálie alebo umývanie, a akceptujte, že nižší modul v šmyku znamená o niečo väčší priemer drôtu pri rovnakej rýchlosti pružiny. Nerez si tiež zachováva užitočnú pevnosť do približne 260 °C, zatiaľ čo hudobný drôt stráca výkon nad 120 °C.

5. Ako zabránim vybočeniu tlačnej pružiny?

Udržujte pomer voľnej dĺžky k strednému priemeru pod hodnotou 4 pre pružiny s paralelnými koncami. Ak je pomer vyšší, použite vodiacu tyč alebo vonkajšiu objímku, prípadne vymeňte za kužeľovú alebo súdkovitú pružinu. Vybočenie nemožno opraviť výberom pevnejšieho materiálu; je to problem geometrie.

6. Môže CNC pružinový stroj vyrábať tlačné pružiny s premenlivým stúpaním?

áno. Viacosový CNC pružinový formovač pohybuje rozstupovým nástrojom a posuvom drôtu nezávisle, takže rozstup sa môže meniť pozdĺž osi pružiny v tej istej časti. Variabilné stúpanie sa používa na riadenie vlastnej frekvencie a na zníženie pevnej výšky pružín s dlhým zdvihom. Pre konzistentné výsledky špecifikujte profil rozstupu ako tabuľku bodov na výkrese a nie jednu nominálnu hodnotu.