EN
Hvad bestemmer styrken og fleksibiliteten af spiral fjedre
Spiral fjedre anvendes i utallige applikationer, fra den bil du kører i til stolen du sidder på. Deres evne til at lagre og frigive energi, absorbering af stød samt holdning af kraft er bemærkelsesværdig. Men har du nogensinde tænkt over, hvorfor nogle er kraftfulde og hårde, mens andre er bløde og give efter? Løsningen på dette spørgsmål er et særdeles interessant fysisk, materialevidenskabeligt og ingeniørmæssigt fænomen.
Det afgørende Rolle ved valg af materiale
Pr. definition er en fjeder en lagring af energi. Materialets beskaffenhed, hvorfra den fremstilles, bestemmer dens ydeevne. Alle metaller kan ikke omdannes til effektive fjedre.
En af dem er elasticitetsmodulet for materialet, også kendt som Youngs modulus. Dette er et mål for materialets naturlige stivhed. I de fleste fjederstål er værdien ret konstant. Det betyder, at en højtkvalitet stål med et bestemt fjederdesign ikke gør det væsentlig fjedrende, men primært gør det stærkere og mere holdbart.
Det endelige brudstyrke for materialet er vigtigt. En fjeder skal kunne tåle gentagne cyklusser med belastning og aflastning uden at ændre form. Dette kræver en høj elastisk grænse, dvs. der er altid et bestemt spændningsniveau, under hvilket materialet selvreturnerer til sin oprindelige form. Almindelige ståltyper inkluderer kulfaste stål og legerede stål som chrom-vanadium eller silicium-mangan, som kan bearbejdes for at opnå denne høje styrke.
Styrken af Fjederdesign og geometri
Selvom materialet giver potentialen, er det de fysiske dimensioner af fjederen, der giver de endelige egenskaber. Fysikken i en spiralfjeder er et mesterligt stykke arbejde, hvor en række faktorer harmonerer.
En vigtig faktor er wirens diameter. Dette er måske den mest naturlige sammenhæng. En fjeder fremstillet med kraftig og tyk wire vil være langt mere modstandsdygtig over for kompression og meget stærkere end en fjeder fremstillet med tynd wire. Wirens styrke forøges betydeligt med diameteren; i virkeligheden er den proportional med diameteren i fjerde potens. Det betyder, at en lille forøgelse af wiretykkelsen fører til en meget stor stigning i stivheden.
Ligeledes er spole-diameteren af stor betydning. Antag, at vi bøjer en tyk stang og en tynd stang. Den tyndere stang bøjer nemt. Det er det samme, der gælder her. En fjeder med stor gennemsnitlig spole-diameter vil være meget mere fleksibel i forhold til en med lille spole-diameter, forudsat at alle andre faktorer forbliver konstante. Stivheden er direkte proportional med kuben af den gennemsnitlige spole-diameter.
Sidst, men ikke mindst, er det aktive antal vindinger afgørende. En fjeder med flere vindinger vil være meget blødere og i stand til at give efter under en belastning langt nemmere end en kort fjeder med færre vindinger. Grunden hertil er, at belastningen fordeler sig på et større antal vindinger, hvilket betyder, at hver enkelt vinding skal bøje mindre. Øget aktivitet af vindinger indebærer øget fleksibilitet.
Indflydelsen af Produktion Processer
Det er en kritisk proces, som indfanger en fjeders styrke i tidsrummet mellem, da den var et simpelt stykke tråd, og da den blev en high-performance fjeder.
Selv opspolingsprocessen kan forårsage spændinger i materialet. Den egentlige ændring sker dog gennem varmebehandling. Fjedre hærdes og tempreres, efter at de er blevet viklet. Denne termiske proces fjerner de indre spændinger fra opspolingen og optimerer metallets mikrostruktur, hvilket giver det den nødvendige høje elasticitetsgrænse og holdbarhed. En fjeder, der ikke er udsat for varmebehandling, vil med tiden forringes eller blive permanent deformerede.
Strålebeskudtning er en anden proces. Dette indebærer, at overfladen af fjederen beskydes med små kugleformede partikler. Dette skaber en bulet overflade, der forårsager trykspændinger, hvilket drastisk forbedrer fjederens udmattelsesliv. Det forhindrer revner i at opstå og sprede sig og gør det muligt for fjederen at gennemgå millioner af kompressionscyklusser.
For at opsummere, er der ingen magisk ingrediens for styrke og fleksibilitet i en spiralformet fjeder. Det er den omhyggelige og beregnede valg af det rigtige materiale, den nøjagtige geometri og brugen af bestemte fremstillingsbehandlinger. Det er den ordnede sammenhæng mellem disse tre søjler, som gør det muligt for en enkel wire-spiral at udføre en så kompleks og nødvendig opgave.