EN
Vad bestämmer styrka och flexibilitet hos fjäderlindningar
Fjädrar används i otaliga tillämpningar, från bilen du kör till stolen du sitter på. Deras förmåga att lagra och frigöra energi, absorbera stötar och hålla emot krafter är imponerande. Men har du någonsin funderat på vad det är som gör en fjäder stark och hård, medan en annan är mjuk och böjlig? Lösningen på denna fråga är ett fascinerande fenomen inom fysik, materialvetenskap och ingenjörskonst.
Det kritiska Roll valet av material
Enligt definition är en fjäder en lagringsenhet för energi. Det material den är tillverkad av avgör dess prestanda. Alla metaller kan inte omvandlas till effektiva fjädrar.
En av dem är elasticitetsmodulen för materialet eller Youngs modul. Detta är ett mått på materialets naturliga styvhet. I de flesta fjäderstål är värdet ganska konstant. Det innebär att med en viss fjäderdesign kommer ett stålkvalitet inte egentligen göra fjädern mer elastisk, utan främst göra den starkare och slitstarkare.
Det slutliga brottgränsen för materialet är viktigt. En fjäder måste kunna tåla upprepade cykler av belastning och avlastning utan att ändra form. Detta kräver en hög elasticitetsgräns, det vill säga det finns alltid en bestämd spänningsnivå under vilken materialet återgår till sin ursprungliga form. Vanliga stål inkluderar kolinrikt stål och legerade stål såsom krom-vanadin eller silicium-mangan, vilka kan bearbetas för att uppnå denna höga hållfasthet.
Den här kraften Fjäderdesign och geometri
Även om materialet ger potentialen, är det fysiska dimensionerna på fjädern som ger de slutgiltiga egenskaperna. Fysiken bakom en spiralfjäder är ett mästerligt arbete där flera faktorer samverkar i harmoni.
En viktig faktor är trådens diameter. Detta är förmodligen det mest naturliga sambandet. En fjäder tillverkad av kraftig och tjock tråd kommer att vara mycket mer motståndskraftig mot kompression och mycket starkare än en fjäder tillverkad av tunn tråd. Trådens styrka förstärks avsevärt med ökad diameter; i praktiken är den proportionell mot diametern upphöjt till fjärde potensen. Det innebär att en liten ökning av trådtjockleken leder till en mycket stor ökning av styvheten.
Även spolans diameter är av stor betydelse. Antag att vi böjer en tjock stav och en tunn stav. Den tunnare staven böjer lätt. Detta är samma sak som bör tillämpas här. En fjäder med stor medelspol-diameter kommer att vara mycket mer flexibel jämfört med en med liten spoldiameter, förutsatt att alla övriga faktorer förblir oförändrade. Styvheten är direkt proportionell mot kubiken av medelspoldiametern.
Inte minst är det aktiva antalet varv avgörande. En fjäder med fler varv blir mycket mjukare och kan avlåsa en last mycket enklare än en kortare fjäder med färre varv. Anledningen till detta är att lasten fördelas på ett större antal varv, vilket innebär att varje enskilt varv behöver böja sig mindre. Ökat antal aktiva varv innebär ökad flexibilitet.
Inverkan av Tillverkning Förfaranden
Det är en kritisk process som fångar upp fjäderns styrka mellan det att den var ett enkelt stycke tråd och det att den blir en högpresterande fjäder.
Även vikningsprocessen kan orsaka spänningar i materialet. Den faktiska förändringen sker dock genom värmebehandling. Fjädrar härdas och åldras efter att de har lindats. Denna termiska process avlägsnar de inre spänningarna från vikningen och optimerar mikrostrukturen i metallen, vilket ger den nödvändiga höga elasticitetsgränsen och hållbarheten. En fjäder som inte har värmebehandlats kommer att försämras eller permanent deformeras med tiden.
Strålsprängning är en annan process. Detta innebär att fjäderns yta utsätts för en bombardering med små sfäriska partiklar. Detta skapar en puckrig yta som orsakar tryckspänningar, vilket drastiskt förbättrar fjäderns utmattningshållfasthet. Det förhindrar sprickbildning och sprickutbredning och gör att fjädern kan genomgå miljontals kompressionscykler.
Sammanfattningsvis finns det ingen magisk ingrediens för en spiralfjäders styrka och flexibilitet. Det är försiktiga och beräknade val av rätt material, exakt geometri och användning av specifika tillverkningsmetoder. Det är den ordnade samverkan mellan dessa tre pelare som gör att en så komplicerad och nödvändig uppgift kan utföras av en enkel trådspiral.