Язык 
Контент
Испугивание происходит, когда пружина сжатия нагружается до точки, где она больше не может оставаться прямо вдоль своей оси, и витки смещаются в сторону вместо равномерного сжатия. Пружина прогибается, когда ее свободная длина примерно в 4 раза превышает средний диаметр витка и она не поддерживается стержнем, отверстием или приспособлением. Это проблема геометрии, а не материальная проблема: тонкая неуправляемая пружина под нагрузкой ведет себя как тонкая колонна, и как только сжимающая сила достигает критического порога, пружина выгибается наружу, а не сжимается по прямой линии.
Практические последствия не являются академическими. Прогнутая пружина трется о стенку корпуса, неравномерно изнашивается, теряет точность усилия и во многих сборках со временем заедает или ломается в точке контакта. Любой, кто проектирует пружины сжатия или настраивает пружинный станок для их производства, должен знать, где находится линия изгиба, прежде чем пружина будет нагружена в полевых условиях.
Инженеры по пружинам используют одно соотношение для риска потери устойчивости перед расчетом нагрузки: свободная длина, деленная на средний диаметр витка, записываемый как L / D. Это та же логика, которая используется для тонких колонн в проектировании конструкций, адаптированных к винтовым пружинам.
Эти цифры взяты из классических справочников по конструкции пружин, таких как инженерное руководство Associated Spring/Barnes Group, и до сих пор являются базовыми показателями, на основе которых большинство производителей проектируют сегодня. Пружина с L/D = 4 и свободными концами может потерять более 60 процентов своей теоретической несущей способности из-за коробления еще до того, как достигнет твердой высоты.
Один только коэффициент гибкости не дает полной картины. То, как удерживаются два конца пружины, резко меняет критическую изгибающую нагрузку, поскольку фиксированные концы сопротивляются боковому изгибу, чего свободные концы не могут.
| Конечные условия | Описание | Относительная константа конечного условия |
|---|---|---|
| Оба конца зафиксированы от вращения | Концы плоские, отшлифованные и прижатые к жестким пластинам. | 0.5 |
| Один фиксированный, один шарнирный | Обычно встречается в односторонних поршневых или плунжерных приспособлениях. | 0.707 |
| Оба конца шарнирные (закрепленные) | Свободно вращается, но центрировано на обоих концах. | 1.0 |
| Один фиксированный, один бесплатный | Консольная загрузка, худший случай | 2.0 |
Пружина, закрепленная на обоих концах, может выдержать примерно в четыре раза большее отклонение той же пружины, нагруженной одним свободным концом, прежде чем начнется коробление. Вот почему в промышленных сборках так часто используются болтовые, плоские концы пружин: приспособление само по себе становится частью конструкции, предотвращающей коробление.
Для проектировщиков, которым нужны реальные цифры, а не эмпирические правила, критический коэффициент прогиба (прогиб при изгибе, разделенный на свободную длину) может быть оценен по стандартной кривой, основанной на L/D и константе конечного состояния в сочетании с индексом пружины и коэффициентом Пуассона материала. На практике большинство производителей пропускают расчеты в закрытой форме и вместо этого берут коэффициент из опубликованной таблицы потери устойчивости, а затем умножают его на свободную длину пружины, чтобы получить фактическое критическое отклонение в миллиметрах или дюймах.
В качестве рабочего примера: стальная пружина сжатия свободной длиной 60 мм и средним диаметром 12 мм имеет отношение L/D 5,0. При фиксации обоих концов критический коэффициент отклонения по стандартной диаграмме составляет около 0,30, что означает, что пружина может безопасно отклониться примерно на 18 мм, прежде чем риск коробления станет значительным. Если бы у той же самой пружины был только один конец зафиксирован, а другой свободен, безопасное отклонение уменьшится примерно до 6–8 мм. , разница достаточно велика, чтобы вывести из строя конструкцию, которая никогда не проверялась на соответствие конечным условиям.
Метод, основанный на диаграммах, существует потому, что точное решение в замкнутой форме для потери устойчивости винтовой пружины включает в себя эффективный изгиб и жесткость пружины на кручение, которые одновременно зависят от диаметра проволоки, диаметра витка и модуля сдвига материала. Вместо того, чтобы решать это соотношение с нуля для каждой детали, большинство инженеров пружин держат под рукой кривую потери устойчивости, строят график L/D на одной оси и считывают критический коэффициент прогиба по соответствующей линии конечного состояния. Это происходит быстрее в цехах и повторяется в рамках всей команды инженеров, что имеет большее значение в повседневной практике, чем сокращение десятичных знаков в теоретической модели.
Проработанный пример делает процесс конкретным. Рассмотрим пружину сжатия, предназначенную для ручного привода клапана, со следующими начальными характеристиками:
Первый шаг — это коэффициент гибкости: 80, разделенное на 14, дает соотношение L/D 5,7, что уже выше порога 5,3, при котором коробление считается скорее вероятным, чем возможным. Второй шаг – это конечное условие. Поскольку пружина просто находится между двумя плоскими пластинами без какого-либо крепления, оба конца ведут себя как шарнирные, а не фиксированные, что дает константу конечного состояния 1,0, что является средним, а не лучшим случаем.
Шаг третий — считывание критического коэффициента отклонения для L/D, равного 5,7 с закрепленными концами, из стандартной диаграммы потери устойчивости, которая приближается к 0,20. Умножение этого соотношения на свободную длину 80 мм дает критическое отклонение всего в 16 мм. Поскольку приложение требует рабочего отклонения в 22 мм, эта пружина прогнется до того, как достигнет намеченной рабочей точки. Указанная конструкция не сможет работать, даже если диаметр провода и номинальная нагрузка на бумаге выглядят правильно.
Шаг четвертый – исправить ситуацию. Три варианта решения проблемы без изменения выходной силы пружины: добавить направляющий стержень через внутренний диаметр катушки с внешним диаметром около 12 мм, что значительно увеличивает эффективное критическое отклонение выше 22 мм; укажите закрытые и шлифованные концы напротив пластин, чтобы сдвинуть константу конечного условия к 0,5; или разделите пружину на две последовательно соединенные пружины диаметром 40 мм с центральной направляющей, которая снижает эффективное соотношение L/D каждого сегмента до 2,85, что удобно ниже безопасного порога, при этом направляющая вообще не требуется. Подобная проверка, проводимая до того, как инструмент будет отрезан, намного дешевле, чем неисправность, обнаруженная после того, как тысячи единиц находятся в эксплуатации.
Индекс пружины, отношение среднего диаметра витка к диаметру проволоки, обычно обсуждается в контексте концентрации напряжения и сложности намотки, но он также учитывается при расчете потери устойчивости, поскольку влияет на соотношение между осевой жесткостью пружины и ее жесткостью на изгиб. Пружина с низким индексом, плотно намотанная по отношению к размеру проволоки, ведет себя более жестко при изгибе относительно ее осевой скорости, что незначительно улучшает сопротивление продольному изгибу по сравнению с пружиной с высоким индексом того же L/D.
На практике это вторичный эффект. Изменение индекса пружины с 6 на 10 смещает критический коэффициент прогиба всего на несколько процентных пунктов. , гораздо меньше, чем колебание, вызванное конечным состоянием или коэффициентом гибкости. Проектировщикам не следует полагаться на затягивание индекса пружины вместо направления пружины, которая уже прошла безопасный порог L/D, но стоит знать об этом как о вторичном рычаге, когда конструкция находится близко к границе и небольшой запас — это все, что необходимо.
Индекс пружины также имеет практическое значение для накручивания, которое возвращает нас к контролю коробления. Пружины с очень низким индексом, ниже примерно 4, труднее равномерно навивать на пружинном станке и более склонны к изменению диаметра витка, что может свести на нет любые теоретические преимущества потери устойчивости из-за несоответствия деталей. Пружины с очень высоким индексом, выше примерно 12, легче скручиваются, но по своей природе более гибки на изгиб, что препятствует сопротивлению короблению. Частично по этой причине большинство промышленных конструкций пружин сжатия находятся в диапазоне индексов от 5 до 9, обеспечивая баланс между стабильностью навивки, короблением и устойчивостью к нагрузкам.
Все, что обсуждалось до сих пор, предполагает статическую или медленно приложенную нагрузку, именно так строятся диаграммы устойчивости. Реальные сборки часто загружают пружину циклически, а динамические условия меняют картину так, что статические диаграммы не отражают напрямую.
На практике имеют значение три динамических эффекта. Во-первых, пружина, работающая близко к порогу статического изгиба, может периодически прогибаться под действием циклической нагрузки, даже если она проходит статическую проверку, поскольку мгновенные боковые нагрузки от вибрации, смещения или удара могут вытолкнуть предельную пружину за пороговое значение за долю цикла. Во-вторых, повторяющиеся события потери устойчивости концентрируют изгибающее напряжение в точке максимального бокового отклонения, что ускоряет усталостное растрескивание в этом месте, а не распределяет напряжение равномерно вокруг витка, как это произошло бы с правильно осевой пружиной. В-третьих, резонанс имеет значение отдельно от коробления: если рабочая частота приближается к естественной частоте пульсаций пружины, витки могут отскакивать в противофазе друг с другом, что внешне похоже на коробление, но представляет собой другой режим отказа с другим способом устранения, обычно демпфированием или изменением диаметра проволоки, а не направляющей.
Практическое руководство для циклических применений заключается в проектировании с дополнительным запасом ниже статического порога потери устойчивости, а не в соответствии с линией. Обычной промышленной практикой является поддержание рабочего прогиба на уровне 80 процентов или ниже расчетного критического прогиба для любой пружины, которая выдерживает более нескольких сотен циклов нагрузки. , который поглощает дополнительный риск, связанный с динамической боковой нагрузкой, не требуя полного динамического анализа потери устойчивости каждой детали.
Потеря устойчивости неравномерно распределяется по приложениям. Он концентрируется везде, где длинные неуправляемые пружины сочетаются с плотной компоновкой или высокими требованиями к прогибу.
| Область применения | Типичный драйвер продольного изгиба | Общее смягчение последствий |
|---|---|---|
| Автомобильная подвеска и сцепление в сборе | Требуется большой ход в узком канале | Направляющая втулка встроена в отверстие корпуса |
| Приводы промышленных клапанов | Для высокой силы требуется более длинная пружина фиксированного диаметра. | Центральный направляющий стержень плюс закрытые и шлифованные концы |
| Ручные инструменты и переключатели | Очень тонкий корпус ограничивает диаметр катушки. | Две более короткие пружины последовательно с центральной шайбой. |
| Упаковочное и дозировочное оборудование | Работа с большим циклом повышает эффективность маржинальных проектов | Дополнительный запас прогиба ниже статического предела потери устойчивости |
| Мебель и механическая фурнитура | Ценовое давление препятствует использованию направляющих стержней | Уменьшите L/D за счет увеличения диаметра катушки в пределах доступного пространства. |
Общей чертой всех пяти категорий является давление упаковки. Риск коробления редко возникает из-за того, что дизайнер выбирает плохую пружину; это происходит из-за корпуса, отверстия или основания, которые создают более длинную и тонкую пружину, чем можно было бы предположить в идеальном L / D, и именно поэтому направляющие стержни, втулки и устройства с разъемной пружиной существуют как стандартные решения, а не как исключения.
Не каждая пружинная машина имеет одинаковый диапазон допуска, и зазор имеет большее значение для конструкций, чувствительных к короблению, чем для простых пружин с низкой гибкостью, где более широкий допуск малоэффективен.
| Весенняя машина Type | Типичный контроль диаметра катушки | Лучше всего подходит для деталей, чувствительных к короблению |
|---|---|---|
| Механическая пружинная машина с кулачковым приводом | Более широкие вариации от партии к партии, в зависимости от инструмента | Детали с низким L/D, где запас устойчивости велик. |
| Станок для навивки пружин с ЧПУ, разомкнутый контур | Улучшенная повторяемость, некоторые отклонения при длительных пробегах. | Умеренные детали L/D с опорным направляющим стержнем |
| Пружинный станок с ЧПУ с замкнутым контуром подачи проволоки и линейным калиброванием | Жесткий, постоянно корректируемый допуск на протяжении всего цикла | Высокая L/D или плотно направляемые детали с малым зазором |
| Автоматизированная ячейка торцевого шлифования в сочетании с пружинным станком | Непосредственно контролирует прямоугольность концов, а не диаметр катушки. | Любая конструкция, основанная на фиксированных или почти фиксированных конечных условиях. |
Вывод для любого, кто выбирает пружину, чувствительную к продольному изгибу, должен соответствовать допускам пружинного механизма в зависимости от того, насколько близко конструкция находится к порогу продольного изгиба. Конструкция с большим запасом ниже критического отклонения может выдерживать более широкие вариации более старых машин с механическими пружинами. Конструкция, которая зависит от жесткого зазора в направляющей или почти фиксированного конечного состояния, требует более жесткой, калиброванной производительности пружинного станка с ЧПУ с замкнутым контуром, поскольку даже небольшой дрейф диаметра витка может закрыть зазор в направляющей или сместить эффективное конечное состояние настолько, чтобы вызвать коробление в некоторой части партии.
Помимо уже рассмотренных основных правил, в обзорах неудач на местах неоднократно обнаруживаются несколько менее очевидных ошибок.
Большинство отказов, связанных с короблением в производственных сборках, связано с несколькими конструктивными решениями, которых можно было избежать. Следующие правила используются в конструкции промышленных пружин, чтобы обеспечить стабильность пружины сжатия на протяжении всего ее рабочего хода.
Сопротивление продольному изгибу определяется на расчетном чертеже, но оно реализуется только в том случае, если пружина действительно навита до такой геометрии. Вот тут-то и играет прямую роль пружинный станок, используемый в производстве. Пружинный станок с ЧПУ, который обеспечивает жесткие допуски по постоянству шага, диаметру витка и прямоугольности шлифованных концов, производит пружины, которые ведут себя гораздо ближе к расчетному порогу потери устойчивости, чем пружины, намотанные на необслуживаемом оборудовании.
Три допуска, в частности, имеют значение для поведения при продольном изгибе:
Современный станок для навивки пружин с ЧПУ с замкнутым контуром управления подачей проволоки и автоматическим шлифованием концов может поддерживать допуски на диаметр витка в пределах нескольких сотых миллиметра, что достаточно плотно, чтобы физическая пружина соответствовала диаграмме продольного изгиба, используемой на этапе проектирования. Пружины, намотанные на старые механические пружинные станки без такого управления с обратной связью, как правило, имеют больше различий от детали к детали, что является одной из причин, по которой жалобы на коробление иногда появляются непоследовательно в производственной партии, а не в каждой единице.
Материал влияет на продольный изгиб косвенно, через коэффициент Пуассона и модуль сдвига, используемые в диаграмме продольного изгиба, но эффект невелик по сравнению с геометрией и конечными условиями. Переход с музыкальной проволоки на нержавеющую сталь 302 изменяет критическое прогибание всего на несколько процентов для той же геометрии. , поскольку оба материала имеют одинаковые коэффициенты Пуассона в диапазоне от 0,28 до 0,30. Рычаги гораздо большего размера сохраняют гибкость, фиксацию концов и выравнивание нагрузки. Выбор материала по-прежнему имеет значение для усталостной долговечности, коррозионной стойкости и температурных характеристик, но его не следует рассматривать как средство устранения коробления само по себе.
Испугивание не всегда заметно снаружи, особенно в закрытом корпусе. Общие полевые знаки включают в себя:
| Наблюдаемый симптом | Вероятная причина |
|---|---|
| Задиры или яркие следы износа на внутренней стороне отверстия корпуса. | Пружина прогибается вбок и под нагрузкой касается стены. |
| Непоследовательные показания силы на одной и той же высоте в сжатом состоянии на разных устройствах. | Некоторые подразделения преодолели порог потери устойчивости, а другие – нет. |
| Слышимое дребезжание или изменение звука во время срабатывания. | Катушки периодически контактируют с корпусом или направляющим стержнем. |
| Преждевременное усталостное растрескивание на одном локальном витке, а не распределенный износ | Повторяющаяся боковая нагрузка из-за потери устойчивости концентрирует напряжение в одной точке. |
При появлении любого из этих симптомов самым быстрым диагностическим шагом будет измерение свободной длины и среднего диаметра фактической детали и перерасчет L/D, вместо того, чтобы предполагать, что исходный номер конструкции все еще применяется. Износ инструмента на пружинном станке с течением времени может постепенно вывести диаметр витка за пределы исходного диапазона допуска, поэтому стоит проверить, не начинают ли появляться жалобы на коробление пружины, которая работала правильно в течение многих лет.
Разделите свободную длину на средний диаметр катушки. Если результат меньше 4, для большинства приспособлений коробление вряд ли станет проблемой. Если оно превышает 4, запланируйте направляющий стержень, направляющую втулку или фиксированные конечные условия.
Да. Испугивание определяется прогибом и гибкостью, а не тем, достигла ли пружина заявленного номинального значения нагрузки. Тонкая неуправляемая пружина может прогнуться при прогибе от 40 до 60 процентов от номинального.
Направляющий стержень правильного размера решает большинство случаев коробления, но ему необходим достаточный зазор, чтобы избежать защемления внутреннего диаметра катушки при боковой нагрузке, и он должен быть достаточно длинным, чтобы поддерживать пружину на протяжении всего ее хода в сжатом состоянии, а не только на свободной длине.
Описанное здесь коробление характерно для пружин сжатия. Пружины растяжения нагружены растяжением и не прогибаются одинаково, а пружины кручения выходят из строя по разным причинам, связанным с изгибающим напряжением в корпусе и опорах витка, а не с боковой нестабильностью.
Небольшие изменения свободной длины, диаметра рулона или прямоугольности концов в процессе намотки могут сместить фактическое значение L/D и конечное состояние ровно настолько, чтобы приблизить одну деталь к порогу потери устойчивости, чем другую. Вот почему контроль допусков на пружинном станке, используемом для производства, рассматривается как часть проектирования продольного изгиба, а не как отдельный вопрос качества.
Раньше. Проверка коэффициента гибкости и константы конечного состояния на этапе чертежа намного дешевле, чем обнаружение коробления после того, как оснастка и пружинный станок уже запущены в производственный цикл.
Нет. Индекс пружины оказывает реальное, но вторичное влияние на сопротивление продольному изгибу, обычно смещая критический прогиб лишь на небольшой процент. Коэффициент гибкости и состояние концов остаются двумя факторами, которые определяют, прогибается ли пружина.
Распространенный подход заключается в том, чтобы поддерживать рабочее отклонение на уровне примерно 80 процентов или ниже расчетного критического отклонения для любой пружины, подвергающейся регулярной циклической нагрузке, поскольку мгновенные боковые нагрузки и вибрация могут периодически выталкивать предельную конструкцию за пределы статического порога.
Да. Статическая проверка подтверждает, что пружина не прогибается под медленно приложенной нагрузкой, но повторяющаяся езда на велосипеде вызывает вибрацию, мгновенное смещение и скачки напряжения, которые не учитываются в статических расчетах, поэтому для циклических деталей рекомендуется дополнительный запас прогиба.
Нет. Резонанс, иногда называемый скачком пружины, возникает, когда рабочая частота приближается к собственной частоте пружины и витки колеблются в противофазе друг с другом. Это может выглядеть похоже на коробление с точки зрения неустойчивой выходной силы, но устраняется за счет демпфирования или изменения диаметра проволоки, а не за счет направления.
Да. Номинальные нагрузки и прогиб зависят от диаметра проволоки, диаметра витка и количества активных витков вместе, поэтому две пружины могут совпадать на бумаге, имея разные свободные длины или средние диаметры, что изменяет коэффициент гибкости и, следовательно, порог потери устойчивости для каждой детали.
Количество активных витков влияет на жесткость пружины и, следовательно, на свободную длину, необходимую для передачи заданной нагрузки, что косвенно изменяет коэффициент гибкости. Он не входит в диаграмму потери устойчивости как отдельная переменная, как свободная длина, средний диаметр и конечное состояние.
ТК12120 TK-12120 12-осевая машина для намотки пружин с ЧПУ...
Смотрите подробности
ТК-6160 Пружинно-прокатный станок с ЧПУ TK-6160...
Смотрите подробности
ТК-6120 Пружинно-прокатный станок с ЧПУ TK-6120...
Смотрите подробности
ТК-5200 TK-5200 5-осевой станок для намотки пружин с ЧПУ ...
Смотрите подробностиМобильный QR-код
中文简体
英语
俄语
西班牙语
