Kompressziós rugó tervezési útmutató: Képletek, anyagok és gyártási tippek

Amit először meg kell szereznie a kompressziós rugós tervezésben

Öt szám határozza meg mindegyik teljesítményét nyomórugó : huzalátmérő, átlagos tekercsátmérő, aktív tekercsek száma, szabad hossz és a huzal anyagának nyírási modulusa. Ha ezek be vannak állítva, a rugósebesség, a maximális feszültség, a szilárdtestmagasság és a használható elhajlás fix kimenetként következik. Helyezze ezt az ötöt, és a tervezési munka hátralevő része az ellenőrzés; Ha elhibázza az egyiket, a rugó rosszul ül a furatában, korán elfárad, vagy soha nem éri el a célterhelést.

A több mint 28 éves rugógyártó berendezések gyakorlati következtetése egyszerű: kezdje a beépített térrel és a terhelés-elhajlás követelményével, válasszon 4 és 12 közötti rugóindexet, és hagyja, hogy a rugósebesség-képlet végezze el a nehéz emelést. Ezután ellenőrizze a feszültséget, ellenőrizze a hossz-átmérő arányt, és mindig hagyjon szabad helyet a szilárd magasság felett. Az a nyomórugó, amely üzem közben eléri a szilárd magasságot, olyan rugó, amely drámai ugrásszerű igénybevételt eredményez.

• Huzal átmérő (d) szabályozza az arányt, a stresszt és a költségeket. Mivel a képlet d negyedik hatványát használja, a huzalátmérő 10%-os változása nagyjából 46%-kal változtatja meg a rugósebességet.
• Átlagos tekercsátmérő (D) beállítja az illeszkedést egy furat belsejébe vagy egy rúd fölé. A feszültségre is közvetlenül hat, így a kisebb D merevebb rugót és nagyobb feszültséget jelent.
• Aktív tekercsek (Na) azok a tekercsek, amelyek valójában hajlítanak. Az aktív tekercsek hozzáadása lágyítja a rugót.
• Szabad hossz (Lf) meghatározza az elérhető utazást, a szilárd magasságot és a kihajlás kockázatát.
• Nyírási modulus (G) a választott anyag tulajdonsága. Acélhuzal esetében az érték 79 300 N/mm² közelében marad, de a rozsdamentes és a bronz lényegesen alacsonyabb.

A sorrend számít. Ne kezdje szabad hosszúsággal vagy hangmagassággal. Kezdje d-vel, D-vel, Na-val, Lf-vel és G-vel – minden más származtatott.

Mi a kompressziós rugó és hogyan tárolja az energiát

A nyomórugó egy nyitott tekercsű csavarrugó, amelyet kerek huzalból alakítanak ki, a tekercsek közötti osztásközzel, így a rugó lerövidülhet, ha axiális nyomóterhelést alkalmaznak. A terhelés eltávolításakor a rugó visszaáll az eredeti szabad hosszára. A tekercsek közötti tér nem kozmetikai: ez határozza meg a rugó eltérítési képességét.

A nyomórugók a leggyakrabban gyártott rugótípusok a világon. Megjelennek motorszelepekben, felfüggesztési rendszerekben, ajtózárakban, elektromos érintkezőkben, orvosi fecskendőkben, ipari biztonsági szelepekben és repülőgép-hajtóművekben. Ezekben az alkalmazásokban a rugó a három feladat egyikét hajtja végre: ellenáll az erőnek, tárolja az energiát a későbbi felszabadításhoz, vagy egy alkatrészt visszaállít egy meghatározott helyzetbe az elmozdulás után.

A működési elv a csavarás, nem a hajlítás

Amikor egy nyomórugót összenyomnak, a huzal a saját tengelye körül csavarodik. Ez a csavarás nyírófeszültséget hoz létre a huzal keresztmetszetében, és a mért eredmény egy nyomóerő a rugó tengelye mentén. Normál kivitelben a rugó a rugalmas tartományban működik, ahol az elhajlás arányos a terheléssel. A terhelés és az elhajlás aránya a rugó sebessége, newton per milliméterben (N/mm) vagy font per hüvelykben (lb/in) kifejezve.

Ahol kompressziós rugók vannak megadva

A tervezők akkor írnak elő nyomórugókat, amikor az erőnek előre láthatónak kell maradnia egy rögzített mozgás során, ha korlátozott az összeszerelési hely, vagy amikor a mechanizmus egyszerű és megbízható helyreállító erőt igényel. A többi rugótípushoz képest a hengeres nyomórugó gyártása olcsó, könnyen kiszámítható, és egyszerű a tömeggyártás CNC rugós tekercselő gépeken. A kompromisszum az, hogy oldalirányú támasztást igényel, ha a szabad hossz az átlagos átmérőhöz képest hosszú.

Kulcsparaméterek, amelyeket minden tervezésnél meg kell határoznia

Az alábbi táblázat felsorolja a hengeres nyomórugók szabványos paraméterkészletét. Ezek a szimbólumok követik a szokásos rugótervezési hivatkozásokban használt konvenciókat, így közvetlenül lefordíthatók a következő szakasz képleteire.

Huzalátmérő, átlagos átmérő és rugóindex

C rugóindex az átlagos átmérő és a huzalátmérő aránya. A 3 alatti C rugót nagyon nehéz feltekerni anélkül, hogy a huzal felülete megrepedne, mivel a huzal belső oldala a gyakorlati határokon túl összenyomódik. A 12 feletti C rugó könnyen feltekerhető, de hajlamos gubancra, érzékeny a tűrésre, és nagyobb valószínűséggel rezeg vagy túlfeszültséget okoz. A tervezési édes pont C 4 és 12 között van; precíziós rugóknál célozzon 6-10-re.

Active Coils vs Total Coils

Csak az aktív tekercsek hajlanak meg a tömörítés során. A laposra nyomott végtekercsek érintkeznek a következő tekercssel, és már nem járulnak hozzá az elhajláshoz. A két végtekerccsel rendelkező zárt és földelt végű kivitelben az aktív tekercsek száma megegyezik a teljes tekercs mínusz kettővel. A helytelen tekercsszám használata a képletben felelős sok meghibásodott rugó prototípusért.

Szabad hossz, tömör magasság és dőlésszög

A szabad hosszúság és a szilárd magasság határozza meg az elérhető mozgást. Normál működés közben egy rugót soha nem lehet tömör magasságra összenyomni; ezzel élesen növeli a stresszt, és gyakran maradandó készletet hagy maga után. Általános szabály, hogy a maximális lehajlás legalább 10-15%-át szabad térként kell tartani a szilárdtest magassága felett. Ezután a emelkedést úgy állítják be, hogy a szabad hossz illeszkedjen az összeszerelési térhez, miközben biztosítja a szükséges mozgást.

Végtípusok és hatásuk a tavaszi teljesítményre

A végkezelés az első gyártási döntés a tervezésben. Megváltoztatja az aktív tekercsek számát, a rugó négyszögletességét és a költséget. A nyomórugóknak négy általános végkonfigurációja van.

Miért a zárt és a földelt végek a precíziós szabvány?

A zárt és köszörült rugó merőlegesen áll az ülésére, egyenletesen osztja el a terhelést a talajfelületen, és nem forog, amikor összenyomódik. Ez az oka annak, hogy a szeleprugók, az orvostechnikai eszközök rugók és a műszerrugók szinte mindig zárt és földelt végekkel vannak megadva. A csiszolási művelet a huzal felületi rétegét is eltávolítja a végein, ahol repedések keletkezhetnek. A költségnövekedés szerény, de az ülésstabilitás javulása jelentős.

Amikor a sima vég is elég jó

Ha a rugó rövid és egy zsebben van megtámasztva, vagy ha a terhelési út nem kritikus, a sima vége pénzt takarít meg. Az ipari nyomórugók zárszerkezetekben, elektromos kapcsolókban és csomagológépekben általában sima vagy zárt, nem földelt végeket használnak. A kialakításnak továbbra is ellenőriznie kell, hogy a rugó nem billen-e oldalra az összenyomás kezdetén.

Anyagválasztás: Kezdje a nyírási modulussal, majd ellenőrizze a környezetet

A rugósebesség-képlet a G nyírási modulust használja minden más anyagtulajdonság előtt. G egy anyagállandó, és nem változik hőkezeléssel, hidegmegmunkálással vagy keménységgel. A hőkezelés változása a szakítószilárdság, amely beállítja a megengedett feszültséget. Ezért az anyagválasztás a rugóerőt és a konstrukció terhelhetőségét egyaránt rögzíti.

A legtöbb alkalmazásnál az anyaggal kapcsolatos döntés néhány kérdésre vezethető vissza: Lát-e a rugó nedvességet vagy vegyszereket? Mi az üzemi hőmérséklet? Hány ciklust fog túlélni? Lényeges a korrózió vagy az elektromos vezetőképesség? Az alábbi táblázat felsorolja a leggyakrabban használt rugóhuzal anyagokat tipikus nyírási modulusaikkal és hőmérsékleti határaikkal. Ezek az értékek a rugótervezési hivatkozásokban, például a SAE rugótervezési kézikönyvekben és a huzalszállító adatlapjaiban használt publikált anyagadatokat követik.

Mivel a rugósebesség-képlet a huzalátmérő negyedik hatványát használja, a szénacélról rozsdamentes acélra való váltás nem változtatja meg annyira a rugósebességet, mint azt az emberek elvárják; a G 10-15%-os csökkenése kompenzálható a d igen csekély növekedésével. A fenti anyag-összehasonlító táblázat egy kiindulópont, és a teljes kiválasztási logikát, beleértve a felületkezelést és a huzalelőtolási tulajdonságokat a gyártáshoz, az útmutatónk tartalmazza. rugós anyag kiválasztása rugógépgyártáshoz .

Alapképletek: rugósebesség, feszültség és elhajlás

Tavaszi árfolyam képlet

A hengeres nyomórugó rugósebessége:

k = G × d ⁴ / (8 × D ³ × Na)

ahol k a rugósebesség N/mm-ben, G a nyírási modulus N/mm²-ben, d a huzal átmérője mm-ben, D a tekercs átlagos átmérője mm-ben, Na pedig az aktív tekercsek száma. Tartsa az összes egységet egységesen; a milliméter és méter keverése a leggyakoribb hiba.

Wahl-faktor és nyírófeszültség

Az F terhelés melletti csavarrugó közvetlen nyírófeszültségi képlete 8FD/(πd³). Ez figyelmen kívül hagyja a huzal görbületét, ami a feszültséget a tekercs belső oldalán koncentrálja. A K_w Wahl-tényező korrigálja ezt a hatást:

K_w = (4C − 1)/(4C − 4) 0,615/C

ahol C a rugóindex. A korrigált nyírófeszültség τ = K_w × 8FD/(πd³). 7-es rugóindex mellett a Wahl-tényező csak körülbelül 1,21; a 3-as indexnél 1,62 fölé kúszik. Ezért mindig alacsony rugóindex mellett ellenőrizze a stresszt.

Kidolgozott példa: 2 mm-es huzal, 14 mm-es átlagos átmérő

Tervezzen nyomórugót zenehuzallal (G = 79 300 N/mm²), huzalátmérővel d = 2,0 mm, átlagos tekercsátmérővel D = 14 mm és Na = 8 aktív tekercssel. Összes tekercs zárt és földelt végekkel: Nt = Na 2 = 10.

1. lépés – tavaszi index: C = D/d = 14/2 = 7, az ajánlott 4-12 tartományon belül.

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

3. lépés – Elhajlás 120 N terhelésnél: s = 120 / 7,22 = 16,6 mm . Szabad hossz 45 mm, így a terhelésnél összenyomott hossz 28,4 mm.

4. lépés – Tömör magasság: Ls ≈ Nt × d = 10 × 2 = 20 mm . A szilárd anyag feletti hézag 28,4–20 = 8,4 mm, ami az elhajlási út körülbelül 28%-a – biztonságosan meghaladja az ajánlott 10–15%-os határt.

5. lépés – Stresszellenőrzés: K_w = 1,21; τ = 1,21 × 8 × 120 × 14 / (π × 8) = 647 N/mm² . A zenei huzal tipikus megengedett nyírófeszültsége ennél az átmérőnél a minimális szakítószilárdság 45%-a, nagyjából 900 N/mm², így a kialakítás kényelmes, de nem túlzott margóval működik. Ezek a megengedett feszültségi százalékok a szabványos rugótervezési hivatkozásokból származnak, és a pontos érték a szállító által szállított huzal szakítószilárdságától függ.

Gyakorlati tervezési szabályok gyártási szempontból

A papíron tökéletesnek tűnő rugót nehéz vagy költséges előállítani. Az alábbi szabályok a tekercselő, csiszoló és temperáló berendezések gyakorlati tapasztalataiból származnak, nem pedig pusztán a tankönyvelméletből.

Tartsa a tavaszi indexet 3 és 12 között

3 alatt a belső sugáron lévő huzalfelület túl erősen megfeszül a tekercselés során, és a tüske túlzott szerszámnyomást észlel. 12 felett a rugó sérülékenyen kezelhető, az átmérőtűrések nehezebbé válnak, és a szomszédos tekercsek összeérhetnek enyhe oldalterhelés hatására. A legtöbb CNC rugós gép a legstabilabb minőséget a 4-es és 10-es index között produkálja.

Figyelje meg a hossz-átmérő arányt a kihajláshoz

A nyomórugó úgy viselkedik, mint egy karcsú oszlop: egy bizonyos szabad hossz-átmérő arány felett terhelés hatására oldalra meghajlik. Párhuzamos támasztékú rugók esetében a kritikus arány körülbelül 4. Ha az Lf/D meghaladja a 4-et, akkor a kialakításhoz vezetőrúdra, külső hüvelyre vagy kúpos rugó alakra van szükség. A kihajlás geometriai probléma, nem anyagi probléma; a huzalminőség megváltoztatása nem oldja meg.

Adja meg azokat a tűréseket, amelyeket a gép ténylegesen elbír

A nyomórugók tipikus gyártási tűrései a rugóindexszel skálázhatók. Egy ésszerű munkavégzési feltételezés a külső átmérő tűrése körülbelül ±1% 8-ig terjedő index esetén és ±1,5% és ±2% 10 feletti index esetén. A ±1% és ±2% közötti szabad hossztűrések reálisak; a szűkebb szabad hossz tűrés általában extra válogatást vagy csiszolást igényel. A rugósebesség tűrése a huzalátmérő tűréséből következik, tehát ha nagyon pontos sebességre van szüksége, akkor szorosan az áramlás irányában kell szabályoznia a d-t.

• Adja meg a szabályozott átmérőt: OD, ha a rugó egy furatban van, ID, ha egy rúdon csúszik.
• A funkcionálisan szükségesnél szigorúbb tűrések nem szükségesek; minden további 0,1 mm-es pontosság megnöveli a tekercs szerszámozásának és ellenőrzésének költségeit.
• Nagy igénybevételnek kitett rugók esetén adjon hozzá egy állandóan beállított tesztet, amely meghatározott számú alkalommal tömör magasságra nyomja össze a rugót az utolsó szabad hossz-ellenőrzés előtt.

Tervezés CNC tekercseléshez

A többtengelyes CNC tekercselőgépek egyetlen menetben szabályozzák a emelkedést, az átmérőt, az előtolási hosszt és a vágási szöget. Ez azt jelenti, hogy a kialakítás tartalmazhat változtatható menetemelkedést, csökkentett végtekercset vagy változó spirálszöget a szerszámok megváltoztatása nélkül. Az 5 tengelyes CNC rugóalakító gép a emelkedési pontosságot a legtöbb precíziós csavarrugókhoz szükséges tartományban tartja, ezért a tervezőnek a menetemelkedést ellenőrzött méretként kell megadnia, nem pedig származtatott értékként. Ha a hangmagasság kritikus a túlfeszültség viselkedése szempontjából, vegye figyelembe, hogy a rajzon; az állandó hangosztású tervezést a gyártás során mindig könnyebb ellenőrizni.

Köszörülés befejezése, stresszoldás és befejező lépések

Miért van szükség a zárt és földelt végeknél csiszolási műveletre?

Amikor a végtekercsek zárva vannak, a végfelület még mindig szabálytalan. A köszörülés a huzal teljes szélességében lelapítja a végét, és merőlegessé teszi a rugót. A köszörülési minőséget két kimenet alapján ítélik meg: a talajfelület sík szélessége és a vége négyszögletessége a rugó tengelyéhez képest. A precíziós szerelvények esetében a specifikációk általában megkövetelik, hogy a vezetékvég kerületének legalább 75%-a sík földelés legyen. A CNC rugós csiszológép szabályozza a köszörűkorongok előtolását és a tartózkodási időt, így a keletkező hő nem égeti meg a huzal felületét. A túlcsiszolás csökkenti a huzal keresztmetszetét és gyengíti a végtekercseket, míg az alulcsiszolás lengőülést hagy maga után.

CNC rugós csiszológép gyártók, OEM/ODM beszállítók - WNJ gép Mint kínai OEM/ODM CNC rugós csiszológép gyártók és rugós köszörűgépek beszállítói, az Omnipotent Spring Machine Co., Ltd. kínál... Termék megtekintése →

Stresszoldás és temperálás a tekercselés után

A hideg huzal tekercselése jelentős maradékfeszültséget okoz, különösen az egyes tekercsek belső sugarán. A feszültségmentesítés úgy történik, hogy a kész rugót rövid ideig hevítik az anyagtól függő hőmérsékleten: a zenedrót jellemzően 180°C és 230°C között, az olajos temperált huzal 230°C és 260°C között, a króm-szilícium ötvözetek pedig 350°C és 430°C között jellemzően mentesülnek. A cél a méretek stabilizálása és a kifáradási élettartam javítása a huzal lágyítása nélkül. A rugóműhelyekben használt temperáló kemencék egyenletes hőmérsékletet tartanak fenn a terhelésen keresztül, így a tétel minden rugója ugyanazt a kezelést kapja; Az egyenetlen temperálás gyakori oka a szabad hosszúság tételenkénti ingadozásának.

Shot Peening és előre beállított

Azoknál a rugóknál, amelyeknek ciklusok millióit kell túlélniük, a lövés összenyomja a huzal felületét, és a kifáradási repedések eredetét a feszültségmező alá tolja. Az előre beállított, más néven kompressziós maradékfeszültség-beállítás a rugó egyszeri vagy többszöri szilárd magasságra történő összenyomását foglalja magában, hogy előnyös maradó feszültséget idézzen elő a belső szálon. Mindkét eljárás szabványos a szeleprugók és a felfüggesztési rugók esetében, de költséget jelentenek; csak akkor használja őket, ha az élet fáradtsága úgy kívánja.

A tervezéstől a rajztól a gyártásig

Prototípusok és mintafuttatások

Mielőtt elkötelezi magát a teljes gyártás mellett, futtasson le egy kis tételt, hogy ellenőrizze három dolgot: a mért rugósebességet, a feszültségmentesítés utáni szabad hosszt és a szilárdtest magasságát. Ha a mért sebesség ki van kapcsolva, először ellenőrizze a tényleges huzalátmérőt, mert a negyedik teljesítmény még 0,02 mm-es huzaltűrést is látható sebességeltolássá növel. Ezután ellenőrizze, hogy az aktív tekercsek száma megegyezik-e a gépen ténylegesen elvégzett végkezeléssel; egy plusz végtekerccsel készült zárt-köszörült rugó a számítottnál lágyabban fog viselkedni.

A gyártáshoz használt géptípus kiválasztása

A gép típusa legalább annyira számít, mint a rajz. A tiszta hengeres nyomórugó állandó osztásszöggel és köszörült végekkel a rugós tekercselő gépek szokásos munkája, amelyet egy végcsiszológép követ. A változtatható emelkedésű, kúpos alakú vagy hajlított lábú rugóhoz több tengelyre van szükség. A 12 tengelyes CNC rugós bütyök nélküli gép bonyolult geometriát kezel, mivel minden munkatengely önállóan mozog, és nincs bütyök a termékcsaládok között. A gyártási útvonalat a huzaltól a kész rugóig, beleértve a tekercselést, a végcsiszolást és a hőkezelést, lépésről lépésre ismertetjük cikkünkben. hogyan kell rugókat gyártani .

Egyedi CNC-1225 12 TENGELYES CNC RUGÓS TÜVÉTELEN GÉP Gyár, Vállalat - WNJ gép A Zhejiang Omnipotent Spring Machine Co., Ltd. (WNJ Machine) egy kínai nagykereskedelmi CNC-1225 12 tengelyes CNC RUGÓS GÉP gyár és... Termék megtekintése →

Alkalmazás-specifikus ellenőrzés

Az ajtóreteszben működő nyomórugó meghibásodhat egy gépjármű-üzemanyag-befecskendező szelepben, mert eltérő a működési gyakoriság és a rugó dinamikus viselkedése. Használt nyomórugók autóipari és mobilitási alkalmazások ellenőrizni kell a túlfeszültség-frekvenciát, a kifáradási élettartamot és az üzemi hőmérsékleten való lazulást. A tervező által készített rajzok csak a kezdet; a gyártóberendezésnek egyenletesen kell tartania a geometriát több ezer darabon keresztül.

Gyakran ismételt kérdések a kompressziós rugó kialakításával kapcsolatban

1. Hogyan lehet a leggyorsabban kiszámítani a nyomórugó rugósebességét?

Használja a k = G × d⁴ / (8 × D³ × Na) értéket. Mérje meg d, D és Na értékét konzisztens egységekben. Az eredmény közvetlenül N/mm-ben van megadva, ha G értéke N/mm², és minden méret mm-ben van megadva. A leggyakoribb hiba a huzalmérő és a fizikai huzalátmérő keverése.

2. Milyen tavaszi indexre kell törekednem?

Törekedjen a 4 és 12 közötti rugóindexre, ahol a precíziós rugók előnyben részesített tartománya a 6 és 10 közötti érték. 4 alatt a vezeték túlfeszített a belső sugáron; 12 felett a rugó nehezen kezelhetővé, pontosan tekercselhetővé és következetesen mérhetővé válik.

3. Mikor kell megadni a zárt és földelt végeket?

Adja meg a zárt és köszörült végeket, amikor a rugónak merőlegesen kell állnia, egy mélyedésben kell lennie egy lapos üléssel, vagy ciklikus terhelést kell viselnie. A szeleprugók, erőmérő cellák és orvosi műszerrugók zárt és köszörült végeket használnak. A sima végek elfogadhatók az alacsony költségű, alacsony ciklusú alkalmazásokhoz, ahol a rugót rúd vagy zseb vezeti.

4. Zenei drót vagy rozsdamentes acél – melyiket válasszam?

Válasszon zenevezetéket a legnagyobb szilárdság és a legjobb kifáradás érdekében száraz, belső, nem korrozív környezetben. Válasszon rozsdamentes 302-es vagy 304-es acélt, ha a rugó nedvességet, vegyszereket vagy lemosást lát, és fogadja el, hogy az alacsonyabb nyírási modulus valamivel nagyobb huzalátmérőt jelent azonos rugósebesség mellett. A rozsdamentes acél is megtartja hasznos szilárdságát körülbelül 260 °C-ig, míg a zenei vezeték 120 °C felett veszít teljesítményéből.

5. Hogyan akadályozhatom meg a nyomórugó kihajlását?

A párhuzamos végű rugóknál tartsa a szabad hosszúság és az átlagos átmérő arányát körülbelül 4 alatt. Ha az arány nagyobb, használjon vezetőrudat vagy külső hüvelyt, vagy váltson kúpos vagy hordó alakú rugóra. A kihajlás nem rögzíthető erősebb anyag kiválasztásával; ez geometriai probléma.

6. Képes-e egy CNC rugós gép változó állású nyomórugókat előállítani?

Igen. Egy többtengelyes CNC rugóalakító egymástól függetlenül mozgatja a osztásszerszámot és a huzalelőtolást, így a menetemelkedés a rugótengely mentén ugyanabban a részben változhat. A változtatható emelkedést a természetes frekvencia szabályozására és a hosszú futású rugók szilárd magasságának csökkentésére használják. A konzisztens eredmények érdekében a hangmagasság-profilt a rajz pontjainak táblázataként adja meg, nem pedig egyetlen névleges értékként.