Sprężyny są podstawowymi elementami mechanicznymi wykorzystywanymi do magazynowania i uwalniania energii poprzez odkształcenia. Ich projektowanie wymaga dogłębnego zrozumienia różnych zasad mechaniki, w tym naprężeń, odkształceń i zmęczenia. Zanurzmy się w te tematy i zbadajmy, jak projektować sprężyny, które są trwałe.
Naprężenie w sprężynie to siła wewnętrzna na jednostkę powierzchni wywołana przez siły zewnętrzne lub odkształcenia. Gdy sprężyna jest obciążona, doświadcza kombinacji naprężeń rozciągających, ściskających i ścinających.
W przypadku większości sprężyn śrubowych dominującym rodzajem naprężenia jest naprężenie ścinające. Maksymalne naprężenie ścinające τ można obliczyć za pomocą wzoru:
gdzie:
– ( F ) jest przyłożonym obciążeniem.
– ( Dm ) to podziałowa średnica zwoju.
– ( d ) to średnica drutu.
– ( K ) to współczynnik korekcji Wahla, uwzględniający bezpośrednie ścinanie i efekty krzywizny.
Odkształcenie na jednostkę długości spowodowane przyłożonym naprężeniem. W przypadku sprężyn odzwierciedla ono stopień odkształcenia sprężyny pod wpływem określonego obciążenia. Odkształcenie ((\epsilon)) można wyrazić jako:
gdzie:
– (ΔL) to zmiana długości.
– (L0) to pierwotna długość.
W warunkach sprężystych (tj. odkształcenie jest odwracalne) prawo Hooke’a opisuje zależność między naprężeniem a odkształceniem:
σ= E * ε
gdzie:
– ( σ ) jest naprężeniem normalnym/rozciągającym w MPa
– ( E ) to moduł Younga (miara sztywności materiału).
– ( ε ) to odkształcenie
Zmęczenie to postępujące i zlokalizowane uszkodzenie strukturalne, które występuje, gdy materiał jest poddawany cyklicznym obciążeniom. Z biegiem czasu takie cykliczne naprężenia mogą spowodować pęknięcie sprężyny i ostatecznie jej uszkodzenie, nawet jeśli naprężenia są znacznie niższe niż wytrzymałość materiału na rozciąganie.
Trwałość zmęczeniowa sprężyny opisuje liczbę cykli, które może ona wytrzymać przed uszkodzeniem. Na trwałość zmęczeniową wpływa kilka czynników, w tym:
Aby zwiększyć trwałość i wydajność sprężyn, należy wziąć pod uwagę następujące kwestie
Wybór materiału o wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej i dobrej odporności na korozję ma zasadnicze znaczenie. Typowe materiały obejmują:
Sprężyny należy projektować tak, aby były odporne na określone warunki środowiskowe. Na przykład:
W krytycznych zastosowaniach należy rozważyć zastosowanie nadmiarowości i współczynników bezpieczeństwa w celu zapewnienia niezawodności. Na przykład, zaprojektowanie sprężyn do przenoszenia obciążeń znacznie przekraczających maksymalne oczekiwane obciążenie może zapobiec nieoczekiwanym awariom.
Zrozumienie tych zasad i przemyślane zastosowanie ich w projektowaniu sprężyn może prowadzić do wysoce niezawodnych i trwałych sprężyn, dostosowanych do konkretnych zastosowań.
