Руководство по проектированию пружин сжатия: формулы, материалы и советы по изготовлению

Что необходимо сделать в первую очередь при проектировании пружин сжатия

Пять чисел определяют результативность каждого пружина сжатия : диаметр проволоки, средний диаметр витка, количество активных витков, свободная длина и модуль сдвига материала проволоки. Как только они установлены, жесткость пружины, максимальное напряжение, твердая высота и полезное отклонение следуют как фиксированные выходные данные. Сделайте эти пять правильно, и остальная часть проектной работы станет проверкой; ошибитесь, и пружина будет плохо сидеть в отверстии, рано устанет или никогда не достигнет целевой нагрузки.

Практический вывод более чем 28-летнего опыта создания оборудования для производства пружин прост: начните с установленного пространства и требований к отклонению нагрузки, выберите индекс пружины от 4 до 12 и позвольте формуле жесткости пружины сделать всю тяжелую работу. Затем проверьте напряжение, проверьте соотношение длины и диаметра и всегда оставляйте зазор выше твердой высоты. Пружина сжатия, достигающая значительной высоты в процессе эксплуатации, — это пружина, которая выдерживает резкий скачок напряжения.

• Диаметр проволоки (d) контролирует скорость, стресс и затраты. Поскольку в формуле используется четвертая степень d, изменение диаметра проволоки на 10 % приводит к изменению жесткости пружины примерно на 46 %.
• Средний диаметр катушки (D) устанавливает посадку внутри отверстия или на стержне. Это также напрямую влияет на напряжение, поэтому меньший D означает более жесткую пружину и более высокое напряжение.
• Активные катушки (На) это катушки, которые на самом деле изгибаются. Добавление активных витков смягчает пружину.
• Свободная длина (Лф) определяет доступный ход, твердую высоту и риск потери устойчивости.
• Модуль сдвига (G) является свойством выбранного материала. Для стальной проволоки это значение остается около 79 300 Н/мм², но для нержавеющей стали и бронзы оно значительно ниже.

Порядок имеет значение. Не начинайте со свободной длины или шага. Начните с d, D, Na, Lf и G — все остальное производное.

Что такое пружина сжатия и как она сохраняет энергию

Пружина сжатия представляет собой винтовую пружину с открытым витком, изготовленную из круглой проволоки, с шагом между витками, позволяющим укорачивать пружину при приложении осевой сжимающей нагрузки. При снятии нагрузки пружина возвращается к своей первоначальной свободной длине. Расстояние между витками не является косметическим: оно определяет способность пружины прогибаться.

Пружины сжатия являются наиболее распространенным типом пружин в мире. Они появляются в клапанах двигателей, системах подвески, дверных замках, электрических контактах, медицинских шприцах, промышленных предохранительных клапанах и приводах аэрокосмической отрасли. В этих приложениях пружина выполняет одну из трех задач: сопротивляется силе, сохраняет энергию для последующего освобождения или возвращает деталь в определенное положение после смещения.

Принцип работы – кручение, а не изгиб.

При сжатии пружины сжатия проволока скручивается вокруг своей оси. Это скручивание создает напряжение сдвига в поперечном сечении проволоки, и измеренным результатом является сжимающая сила вдоль оси пружины. В нормальной конструкции пружина работает в диапазоне упругости, где прогиб пропорционален нагрузке. Отношение нагрузки к прогибу — это жесткость пружины, выраженная в ньютонах на миллиметр (Н/мм) или фунтах на дюйм (фунт/дюйм).

Где применяются пружины сжатия

Конструкторы используют пружины сжатия, когда сила должна оставаться предсказуемой при фиксированном ходе, когда пространство для сборки ограничено или когда механизм требует простой и надежной возвращающей силы. По сравнению с другими типами пружин, цилиндрическая пружина сжатия дешева в производстве, ее легко рассчитать и ее легко производить серийно на станках для навивки пружин с ЧПУ. Компромисс заключается в том, что ему необходима боковая поддержка, если свободная длина велика по сравнению со средним диаметром.

Ключевые параметры, которые необходимо определить в каждом проекте

В таблице ниже указан стандартный набор параметров для цилиндрической пружины сжатия. Эти символы соответствуют соглашениям, используемым в общих справочниках по конструкции пружин, поэтому они напрямую переводятся в формулы в следующем разделе.

Диаметр проволоки, средний диаметр и индекс пружины

Индекс пружины C представляет собой отношение среднего диаметра к диаметру проволоки. Пружину с C ниже 3 очень трудно свернуть, не повредив поверхность проволоки, поскольку внутренняя сторона проволоки сжимается сверх практических пределов. Пружина с C выше 12 легко скручивается, но склонна к запутыванию, чувствительна к допуску и с большей вероятностью будет вибрировать или пульсировать. Оптимальная точка дизайна — C от 4 до 12; для прецизионных пружин стремитесь к 6–10.

Активные катушки против полных катушек

Во время сжатия изгибаются только активные катушки. Концевые витки, прижатые плоско, контактируют со следующим витком и больше не способствуют отклонению. В конструкции с закрытым и заземленным концом с двумя концевыми катушками количество активных катушек равно общему количеству катушек минус две. Использование неправильного количества витков в формуле является причиной многих неудачных прототипов пружин.

Свободная длина, сплошная высота и шаг

Свободная длина и твердая высота определяют доступный ход. При нормальной работе пружину невозможно сжать до полной высоты; это резко увеличивает стресс и часто оставляет постоянный набор. Общее правило состоит в том, чтобы сохранять зазор выше твердой высоты не менее 10–15 % максимального отклонения. Затем устанавливается шаг таким образом, чтобы свободная длина соответствовала монтажному пространству, обеспечивая при этом необходимый ход.

Типы концов и их влияние на производительность пружины

Торцевая обработка – это первое производственное решение при проектировании. Меняется количество активных витков, прямоугольность пружины и стоимость. Существует четыре распространенных конфигурации концов пружин сжатия.

Почему закрытые и заземлённые концы являются стандартом точности

Замкнутая пружина стоит перпендикулярно своему седлу, равномерно распределяет нагрузку по шлифованной поверхности и не вращается при сжатии. Вот почему клапанные пружины, пружины медицинского оборудования и инструментальные пружины почти всегда имеют закрытые и шлифованные концы. Операция шлифования также удаляет поверхностный слой проволоки на концах, где могут начаться трещины. Увеличение стоимости является скромным, но улучшение устойчивости сиденья является значительным.

Когда простой конец достаточно хорош

Если пружина короткая и закреплена в кармане или путь нагрузки не является критическим, гладкий конец экономит деньги. Промышленные пружины сжатия в замковых механизмах, электрических переключателях и упаковочных машинах обычно используют гладкие или закрытые, нешлифованные концы. Конструкция должна гарантировать, что пружина не наклоняется в сторону в начале сжатия.

Выбор материала: начните с модуля сдвига, затем проверьте условия эксплуатации

В формуле жесткости пружины используется модуль сдвига G перед любыми другими свойствами материала. G является константой материала и не изменяется при термической обработке, холодной обработке или твердости. Что изменяется при термообработке, так это предел прочности, определяющий допустимое напряжение. Поэтому выбор материала фиксирует как жесткость пружины, так и грузоподъемность конструкции.

В большинстве случаев решение о выборе материала сводится к нескольким вопросам: контактирует ли пружина с влагой или химикатами? Какова рабочая температура? Сколько циклов он выдержит? Имеет ли значение коррозия или электропроводность? В таблице ниже перечислены часто используемые материалы пружинной проволоки с указанием их типичного модуля сдвига и температурных пределов. Эти значения соответствуют опубликованным данным о материалах, используемым в справочниках по конструкции пружин, таких как руководства по проектированию пружин SAE и таблицы поставщиков проволоки.

Поскольку в формуле жесткости пружины используется четвертая степень диаметра проволоки, переход с углеродистой стали на нержавеющую сталь не меняет жесткость пружины так сильно, как ожидают люди; падение G на 10–15% может быть компенсировано очень небольшим увеличением d. Приведенная выше таблица сравнения материалов является отправной точкой, а полная логика выбора, включая качество поверхности и свойства подачи проволоки для производства, описана в нашем руководстве по выбор пружинного материала для производства пружинных машин .

Основные формулы: жесткость пружины, напряжение и прогиб.

Формула весенней ставки

Жесткость цилиндрической пружины сжатия равна:

к = г × д ⁴ / (8 × Д ³ × На)

где k — жесткость пружины в Н/мм, G — модуль сдвига в Н/мм², d — диаметр проволоки в мм, D — средний диаметр витка в мм, а Na — количество активных витков. Следите за тем, чтобы все единицы были согласованными; смешивание миллиметров и метров – самая распространенная ошибка.

Фактор Валя и напряжение сдвига

Формула прямого напряжения сдвига для винтовой пружины под нагрузкой F равна 8FD/(πd³). При этом не учитывается кривизна проволоки, которая концентрирует напряжение на внутренней стороне катушки. Фактор Валя K_w корректирует этот эффект:

K_w = (4C - 1)/(4C - 4) 0,615/C

где С – индекс пружины. Скорректированное напряжение сдвига составляет τ = K_w × 8FD/(πd³). При весеннем индексе 7 коэффициент Валя составляет всего около 1,21; в индексе 3 он поднимается выше 1,62. Вот почему вы всегда проверяете напряжение при низком индексе пружины.

Рабочий пример: проволока 2 мм, средний диаметр 14 мм.

Спроектируйте пружину сжатия из музыкальной проволоки (G = 79 300 Н/мм²), диаметр проволоки d = 2,0 мм, средний диаметр витка D = 14 мм и Na = 8 активных витков. Всего витков с закрытыми и заземлёнными концами: Nt = Na 2 = 10.

Шаг 1 — Индекс пружины: C = D/d = 14/2 = 7, в пределах рекомендуемого диапазона от 4 до 12.

Шаг 2 — Весенняя ставка: k = 79 300 × 16 / (8 × 2744 × 8) = 1 268 800 / 175 616 = 7,22 Н/мм .

Шаг 3 — Прогиб при нагрузке 120 Н: с = 120/7,22 = 16,6 мм . Длина в свободном состоянии 45 мм, значит длина в сжатом состоянии под нагрузкой 28,4 мм.

Шаг 4 — Твердая высота: Ls ≈ Nt × d = 10 × 2 = 20 мм . Зазор над твердым телом составляет 28,4–20 = 8,4 мм, что составляет около 28 % хода отклонения — безопасно выше рекомендуемого запаса в 10–15 %.

Шаг 5 — Стресс-проверка: К_в = 1,21; τ = 1,21 × 8 × 120 × 14 / (π × 8) = 647 Н/мм² . Типичное допустимое напряжение сдвига для музыкального провода такого диаметра составляет около 45 % от минимального предела прочности, примерно 900 Н/мм², поэтому конструкция работает с комфортным, но не чрезмерным запасом. Эти проценты допустимых напряжений взяты из стандартных рекомендаций по конструкции пружин, а точная цифра зависит от класса прочности проволоки, поставляемой поставщиком.

Практические правила проектирования с точки зрения производства

Пружину, которая выглядит идеально на бумаге, может быть сложно или дорого изготовить. Приведенные ниже правила основаны на практическом опыте работы с оборудованием для намотки, шлифования и отпуска, а не только на теории учебников.

Держите индекс пружины между 3 и 12.

Ниже 3 поверхность проволоки на внутреннем радиусе слишком сильно деформируется во время намотки, и оправка испытывает чрезмерное давление инструмента. При значении выше 12 пружина становится хрупкой в ​​обращении, допуски по диаметру становятся все труднее удерживать, а соседние витки могут соприкасаться при небольшой боковой нагрузке. Большинство пружинных станков с ЧПУ обеспечивают наиболее стабильное качество между индексами 4 и 10.

Следите за соотношением длины к диаметру на предмет коробления.

Пружина сжатия ведет себя как тонкая колонна: при достижении определенного соотношения свободной длины к среднему диаметру она прогибается вбок под нагрузкой. Для пружин с параллельными опорами критическое соотношение составляет около 4. Если Lf/D превышает 4, в конструкции необходим направляющий стержень, внешняя втулка или пружина конической формы. Потеря устойчивости — это проблема геометрии, а не проблемы материала; изменение марки проволоки не исправит ситуацию.

Укажите допуски, которые машина действительно может выдержать.

Типичные производственные допуски пружин сжатия масштабируются по индексу пружины. Разумным рабочим предположением является допуск на внешний диаметр около ±1% для индекса до 8 и от ±1,5% до ±2% для индекса выше 10. Допуски по свободной длине от ±1% до ±2% являются реалистичными; более строгие допуски на свободную длину обычно требуют дополнительной сортировки или измельчения. Допуск на жесткость пружины зависит от допуска на диаметр проволоки, поэтому, если вам нужна очень точная жесткость, вы должны строго контролировать d вверх по потоку.

• Укажите контролируемый диаметр: наружный диаметр, если пружина находится в отверстии, внутренний диаметр, если она скользит по стержню.
• Не требуйте более жестких допусков, чем функционально необходимо; каждые дополнительные 0,1 мм точности увеличивают стоимость оснастки и проверки катушки.
• Для сильно нагруженных пружин добавьте испытание на постоянную посадку, при котором пружина сжимается до твердой высоты определенное количество раз перед окончательной проверкой свободной длины.

Проектирование для намотки с ЧПУ

Многоосные намоточные станки с ЧПУ контролируют шаг, диаметр, длину подачи и угол среза за один проход. Это означает, что конструкция может включать переменный шаг, уменьшенную концевую катушку или изменяемый угол спирали без замены инструмента. 5-осевой станок для формовки пружин с ЧПУ обеспечивает точность шага в диапазоне, необходимом для большинства прецизионных винтовых пружин, поэтому разработчик должен указывать шаг как контролируемый размер, а не производное значение. Если шаг имеет решающее значение для поведения помпажа, обратите внимание на это на рисунке; конструкцию с постоянным шагом всегда легче проверить на производстве.

Концевая шлифовка, снятие напряжения и этапы окончательной обработки

Почему закрытые и заточенные концы нуждаются в шлифовке

Когда концевые витки закрыты, торцевая поверхность все еще неровная. Шлифование выравнивает конец по всей ширине проволоки и делает пружину перпендикулярной. О качестве шлифования судят по двум показателям: ширине плоской шлифованной поверхности и прямоугольности торца относительно оси пружины. Для прецизионных сборок спецификации обычно требуют, чтобы не менее 75% окружности конца провода было заземлено плоско. А Станок для шлифования пружин с ЧПУ контролирует подачу шлифовальных кругов и время выдержки, чтобы выделяемое тепло не обжигало поверхность проволоки. Чрезмерное шлифование уменьшает сечение проволоки и ослабляет концевые витки, а недостаточное шлифование приводит к раскачиванию седла.

Производители станков для шлифования пружин с ЧПУ, поставщики OEM / ODM - WNJ Machine Являясь китайским OEM/ODM производителем шлифовальных станков для пружин с ЧПУ и поставщиками шлифовальных станков для пружин, компания Omnipotent Spring Machine Co.,ltd предлагает... Посмотреть продукт →

Снятие стресса и закалка после намотки

Намотка холодной проволоки создает значительные остаточные напряжения, особенно на внутреннем радиусе каждой бухты. Снятие напряжения достигается путем кратковременного нагрева готовой пружины при температуре, которая зависит от материала: музыкальная проволока обычно снимается при температуре от 180°C до 230°C, закаленная в масле проволока - от 230°C до 260°C, а хромокремниевые сплавы - от 350°C до 430°C. Цель состоит в том, чтобы стабилизировать размеры и повысить усталостную долговечность без размягчения проволоки. Печи закалки, используемые в пружинных цехах, поддерживают одинаковую температуру по всей загрузке, поэтому каждая пружина в партии подвергается одинаковой обработке; Неравномерный отпуск является частой причиной изменения свободной длины от партии к партии.

Дробеструйная обработка и предварительная настройка

Для пружин, которые должны выдерживать миллионы циклов, дробеструйная обработка сжимает поверхность проволоки и смещает очаги усталостных трещин ниже поля напряжений. Предварительная настройка, также называемая настройкой сжимающего остаточного напряжения, включает в себя сжатие пружины на твердую высоту один или несколько раз, чтобы вызвать полезное остаточное напряжение на внутреннем волокне. Оба процесса являются стандартными для клапанных пружин и пружин подвески, но они увеличивают стоимость; используйте их только тогда, когда этого требует усталость жизни.

Переход от дизайна к производству

Прототипы и пробные запуски

Прежде чем приступить к серийному производству, запустите небольшую партию, чтобы проверить три вещи: измеренную жесткость пружины, свободную длину после снятия напряжения и твердую высоту. Если измеренная скорость не соответствует действительности, сначала проверьте фактический диаметр проволоки, поскольку четвертая степень увеличивает даже допуск проволоки в 0,02 мм до видимого отклонения скорости. Затем проверьте, соответствует ли количество активных рулонов количеству конечной обработки, фактически произведенной на машине; Замкнутая пружина с одним дополнительным концевым витком будет вести себя мягче, чем рассчитано.

Выбор типа машины для производства

Тип машины имеет такое же значение, как и чертеж. Чистая цилиндрическая пружина сжатия с постоянным шагом и шлифованными концами является стандартной работой для станка для навивки пружины, за которым следует станок для шлифования концов. Пружина с переменным шагом, конической формой или изогнутой ножкой требует большего количества осей. А 12-осевой пружинный бескулачковый станок с ЧПУ обрабатывает сложную геометрию, поскольку каждая рабочая ось движется независимо, и нет кулачка, который можно было бы переключать между семействами продуктов. Производственный маршрут от проволоки до готовой пружины, включая навивку, шлифовку концов и термообработку, шаг за шагом описан в нашей статье о как сделать пружины .

Custom CNC-1225 12-осевой БЕСКУЛАЧКОВЫЙ СТАНОК С ЧПУ Завод, Компания - WNJ Machine Компания Zhejiang Omnipotent Spring Machine Co., Ltd (WNJ Machine) является фабрикой и партнером по оптовой торговле в Китае ЧПУ-1225 12-осевой БЕСКУЛАЧКОВОЙ МАШИНОЙ С ЧПУ... Посмотреть продукт →

Проверка для конкретного приложения

Пружина сжатия, работающая в дверной защелке, может выйти из строя в автомобильной топливной форсунке, поскольку частота срабатывания другая и меняется динамическое поведение пружины. Пружины сжатия, используемые в автомобильные и мобильные приложения необходимо проверить частоту скачков напряжения, усталостную долговечность и релаксацию при рабочей температуре. Чертежи, созданные дизайнером, — это только начало; производственное оборудование должно сохранять неизменную геометрию на протяжении тысяч деталей.

Часто задаваемые вопросы о конструкции пружин сжатия

1. Как быстрее всего рассчитать жесткость пружины сжатия?

Используйте k = G × d⁴ / (8 × D³ × Na). Измерьте d, D и Na в одинаковых единицах. Результат выражается непосредственно в Н/мм, когда G указано в Н/мм², а все размеры указаны в мм. Самая частая ошибка — перепутать калибр проволоки с физическим диаметром проволоки.

2. К какому индексу весны мне следует стремиться?

Стремитесь к индексу пружины от 4 до 12, при этом от 6 до 10 является предпочтительной зоной для прецизионных пружин. Ниже 4 проволока перенапряжена по внутреннему радиусу; выше 12 с пружиной становится трудно обращаться, точно наматывать и постоянно измерять.

3. Когда следует указывать закрытые и заземлённые концы?

Укажите закрытые и шлифованные концы, когда пружина должна стоять перпендикулярно, располагаться в углублении с плоским седлом или нести циклическую нагрузку. В клапанных пружинах, тензодатчиках и пружинах медицинских инструментов используются закрытые и шлифованные концы. Гладкие концы приемлемы для недорогих применений с малым циклом, где пружина направляется стержнем или карманом.

4. Музыкальная проволока или нержавеющая сталь — что выбрать?

Выбирайте музыкальный провод, обеспечивающий максимальную прочность и долговечность в сухой, внутренней, неагрессивной среде. Выбирайте нержавеющую сталь 302 или 304, если пружина подвергается воздействию влаги, химикатов или промывания, и примите во внимание, что более низкий модуль сдвига означает немного больший диаметр проволоки при той же жесткости пружины. Нержавеющая сталь также сохраняет полезную прочность примерно до 260°C, тогда как музыкальный провод теряет работоспособность при температуре выше 120°C.

5. Как предотвратить коробление пружины сжатия?

Поддерживайте соотношение свободной длины к среднему диаметру ниже примерно 4 для пружин с параллельными концами. Если передаточное число выше, используйте направляющий стержень или внешнюю втулку либо замените пружину конической или бочкообразной формы. Выпучивание невозможно исправить выбором более прочного материала; это задача по геометрии.

6. Может ли станок с ЧПУ производить пружины сжатия с переменным шагом?

Да. Многоосный пружинный формирователь с ЧПУ перемещает инструмент шага и механизм подачи проволоки независимо друг от друга, поэтому шаг может изменяться вдоль оси пружины в одной и той же детали. Переменный шаг используется для управления собственной частотой и уменьшения высоты пружин с длинным ходом. Для обеспечения единообразия результатов задавайте профиль шага в виде таблицы точек на чертеже, а не одного номинального значения.