Прогибание пружины: почему пружины сжатия прогибаются и как это остановить на ранних этапах эксплуатации

Пружина сжатия прогибается, когда ее ось изгибается в сторону, вместо того, чтобы оставаться на одной линии с нагрузкой. Ничего не треснуло, провод не занижен, скорость, замеренная на коротком образце, оказалась правильной. Пружина просто стала нестабильной, и как только она прогибается, каждая цифра на рисунке перестает означать то, что она означала.

Вот краткий ответ перед подробностями. Испугивание пружины — это проблема стабильности, а не прочности. Большую часть этого решают три переменные: коэффициент гибкости (свободная длина, деленная на средний диаметр витка), то, как два конца прилегают к своим гнездам, и какой ход должна выдержать пружина. Затем производственный контроль решает, останется ли пружина, устойчивая на бумаге, в контейнере.

Что такое коробление пружины и чем оно не является

Винтовая пружина под действием осевой нагрузки ведет себя частично как колонна и частично как гибкий вал. Спираль несет нагрузку в основном при кручении, но она также имеет жесткость на изгиб, и эта жесткость на изгиб падает по мере сжатия пружины. Как только приложенная нагрузка развивает хотя бы небольшую боковую составляющую из-за смещения от центра седла, изогнутой проволоки или слегка конического конца, боковое отклонение растет быстрее, чем осевое отклонение. Это тот момент, когда пружина перестает быть пружиной и становится нестабильной стойкой.

В производстве коробление редко проявляется в виде резкого бокового щелчка. Он проявляется в виде пружины, которая трёт своё отверстие, носит яркую полированную полосу вдоль одной стороны витков, теряет свободную длину или создаёт нагрузку с 80-процентным отклонением, что значительно ниже, чем предсказывает расчёт скорости.

Испугивание, помпаж, деформация и усталость — это четыре разные неисправности.

• Выпучивание – это статическая или квазистатическая боковая неустойчивость. Оно развивается постепенно по ходу сжатия и зависит от уровня нагрузки и геометрии.
• Помпаж представляет собой динамическую волну, распространяющуюся по катушкам с высокой скоростью. Это обусловлено распределением частоты и массы, а не гибкостью, и может возникнуть при идеально прямой пружине.
• Постоянная рассадка – это потеря свободной длины, вызванная напряжением, превышающим предел упругости проволоки. Пружина может оставаться совершенно прямой и при этом терять высоту.
• Усталость – это возникновение трещин после повторных циклов. Испугивание усугубляет ситуацию, поскольку оно добавляет напряжение изгиба в дополнение к напряжению скручивания, которое уже несет конструкция.

Два соотношения, которые решают почти все

Практика проектирования пружин во всем мире работает с двумя безразмерными числами. Первое - это Лф/Д , свободная длина, деленная на средний диаметр катушки. Второй прогиб, разделенный на свободную длину , записанная в виде дроби Lf. Стандартные кривые потери устойчивости строятся друг напротив друга, и каждая точка над кривой означает, что пружина, как ожидается, прогнется.

Широко используемое правило отбора из литературы по весеннему дизайну заключается в том, что пружина сжатия с Lf/D ниже примерно 2,6 не прогнется , независимо от того, насколько сильно он сжат. При значении примерно от 2,6 до 4 риск зависит от условий перемещения и конечного положения, а при значении выше 4 пружину следует рассматривать как управляемый компонент с самого начала проектирования, а не как второстепенную мысль.

Конечные условия имеют значение, поскольку они изменяют эффективную длину эквивалентного столбца. В классическом соотношении Эйлера критическая нагрузка меняется в зависимости от единица, разделенная на квадрат коэффициента эффективной длины K , поэтому повышение K с 1,0 до 0,5 не удваивает порог потери устойчивости, а увеличивает его в четыре раза.

Где «безопасная» пружина все еще прогибается: производственный вариант

Диаграмма расчета описывает среднюю пружину. Жалобы на коробление всегда исходят из хвоста распределения, где три или четыре небольших отклонения выстраиваются в одном направлении. На практике следующие источники отклонений вызывают большую часть жалоб, которые мы видим в цехах и при проверках клиентов.

• Свободный разброс длины. Обычная производственная полоса пружины сжатия часто составляет от одного до двух процентов номинальной длины в свободном состоянии. Пружина, расположенная на коротком конце этой ленты, в сочетании с седлом, слегка смещенным от центра, может начать прогибаться примерно при 60 процентах отклонения, которое в расчетной таблице названо критическим.
• Прямолинейность и отливка проволоки. Проволока, поступающая с остаточной кривизной, образует катушку, ось которой уже изогнута в свободном состоянии. Лук не исчезает при сжатии пружины, он просто выбирает направление.
• Равномерность шага. Изменение шага активных катушек на несколько десятых миллиметра означает, что некоторые катушки закрываются до твердого состояния раньше других. Эти закрытые витки действуют как боковой шарнир, и порог потери устойчивости резко падает.
• Дрейф диаметра катушки. Если средний диаметр изменяется по длине, изменяется местная скорость, и пружина сжимается неравномерно. Более жесткая часть подвергается меньшему прогибу, а более мягкая часть - изгибу.

Сервоуправляемая намотка напрямую решает эту проблему. Программируемый шаг, коррекция наружного диаметра с обратной связью и постоянное давление подачи проволоки удерживают свободную длину, шаг и диаметр внутри узкой полосы, что является самым дешевым способом отодвинуть весь производственный цикл от кривой изгиба.

TK-335 3-осный станок для навивки пружин с ЧПУ TK-335 3-осный станок для навивки пружин с ЧПУ Посмотреть продукт →

На оборудовании этого класса подача проволоки, коррекция шага и диаметра осуществляется системой управления, а не механическими кулачками, поэтому смена партии проволоки не означает автоматически изменение геометрии пружины. Для пружины, которая лишь незначительно стабильна, эта повторяемость часто является разницей между успешным и неудачным первым изделием.

Торцевая прямоугольность и шлифовка: самое дешевое исправление коробления

Арифметика здесь грубая, и ее стоит выполнить, прежде чем менять размер провода. Наклон на три градуса торцевой поверхности пружины со свободной длиной 100 мм смещает дальний конец примерно на 5,2 мм от оси. , потому что тангенс трех градусов равен примерно 0,052. Такого большого эксцентриситета достаточно, чтобы протолкнуть граничную пружину через кривую изгиба при первом такте сжатия.

Хорошая практика шлифования направлена ​​на получение плоской контактной поверхности по крайней мере на три четверти диаметра проволоки, при этом две торцевые поверхности параллельны в пределах небольшой части диаметра проволоки. При шлифовании также необходимо избегать перегрева концов проволоки: при шлифовании, видимый как соломенный или синий цвет закалки, остается локально более мягкий шарнир на конце пружины, именно там, где создается нагрузка на колонну.

Производитель шлифовальных станков с ЧПУ для пружин WNM2.5 WNM ШЛИФОВАЛЬНЫЙ СТАНОК С ЧПУ ПРУЖИНЫ Посмотреть продукт →

Автоматические торцевые шлифовальные станки с контролируемой скоростью подачи и давлением шлифования устраняют необходимость вмешательства оператора. Если торцевая поверхность отшлифована неравномерно, никакие дальнейшие проверки не смогут восстановить утраченную прямоугольность, и пружину будут продолжать отбраковывать из-за признака, похожего на конструктивную проблему.

Закалка, остаточное напряжение и почему пружина прогибается, когда этого не следует делать

Пружины сжатия с холодной навивкой несут тяжелые остаточные напряжения в результате операции навивки. Без цикла снятия напряжений эти напряжения медленно ослабевают под нагрузкой, и пружина теряет как свободную длину, так и прямолинейность. Пружины из углеродистой стали с холодной навивкой обычно снимают напряжение где-то в районе 200–300 C в течение 30–60 минут, при этом точное окно зависит от марки проволоки и уровня напряжения, допускаемого конструкцией.

Деталь печи, которая имеет значение для коробления, — это однородность, а не пиковая температура. Если одна сторона загрузки находится в более прохладной зоне, одна сторона катушки снимает меньшее напряжение, чем другая, и пружина выходит из печи уже изогнутой. Однородность рабочей зоны в пределах нескольких градусов Цельсия отличает печь, поддерживающую прямые пружины, от печи, в которой тихо генерируется лом.

Горячие источники проходят другой путь: аустенитизацию, закалку и отпуск при гораздо более высоких температурах. Здесь неравномерная закалка приводит к изгибу, который невозможно исправить никаким шлифованием концов, потому что кривизна проходит по всему телу пружины, а не находится на концах.

WNJ210 Пружинная печь закалки (серия Panint) ПЕЧЬ ПРУЖИННОГО ЗАКАЛАНИЯ серии Panint WNJ Посмотреть продукт →

Какая бы конструкция печи ни использовалась, практический тест прост: запустите партию, дайте ей остыть на прямой стойке и измерьте изгиб оси на поверхностной пластине. Если изгиб коррелирует с положением в печи, а не с положением в рулоне, проблема заключается в термообработке, а не в намоточной машине.

Спроектируйте рычаги, повышающие порог потери устойчивости

Когда пружина уже в поле прогибается, именно эти рычаги фактически меняют результат, примерно в том порядке, в котором они стоят.

1. Направляйте весну. Стержень внутри отверстия или втулка по внешнему диаметру лишают свободы изгиба. Обычно в цехах размеры направляющего стержня составляют примерно 90 процентов от минимального внутреннего диаметра, а диаметр отверстия — примерно 110 процентов от максимального наружного диаметра. Слишком маленький зазор и пружина заедает направляющую; слишком сильно, и направляющая ничего не делает, пока пружина не прогнется на несколько миллиметров.
2. Укоротите свободную длину. Уменьшение Lf/D является наиболее прямым решением, но обычно требует большего количества витков с той же скоростью, поэтому высота твердого тела увеличивается. Убедитесь, что пружина имеет запас хода при полном сжатии.
3. Добавьте предварительную нагрузку и уменьшите рабочий ход. Установка пружины в сжатом состоянии снижает долю отклонения, которую ей приходится поглощать во время эксплуатации, что перемещает рабочую точку вниз и влево на кривой изгиба.
4. Улучшить конечное состояние. Заземленные, закрытые концы на плоских параллельных седлах перемещают K в сторону 0,5. Часто это модернизация сиденья, а не замена пружины, и обычно это самое дешевое из доступных улучшений.
5. Используйте вложенные пружины. Две концентрические пружины меньшей гибкости разделяют нагрузку. Каждый из них по отдельности располагается дальше от изгиба, и если один прогибается, другой удерживает узел в центре.
6. Прежде чем менять марку проволоки, проверьте модуль материала. Каждая распространенная пружинная сталь, от музыкальной проволоки до хром-кремния, имеет давление примерно от 200 до 210 ГПа. Переход к более высокому классу прочности увеличивает допустимое напряжение, но никак не влияет на коробление. Титан с давлением около 110 ГПа ухудшает коробление. Более полное обсуждение того, как выбор сплава взаимодействует с геометрией, см. в этом руководстве по выбор пружинного материала для пружинных машин .
7. Осмотрите седло, а не только пружину. Изношенный или деформированный карман может превратить пружину с К 0,5 в эффективную К 1,5, при этом никто не прикоснется к чертежу пружины.

Как обнаружить прогиб до того, как это сделает клиент

Пряжение оставляет доказательства задолго до того, как они станут жалобой. Основная процедура входного контроля позволит выявить большую часть этого.

• Нагрузка в четырех точках, а не в одной. Тестируйте при 25, 50, 75 и 100 процентах максимального рабочего отклонения. Если нагрузки в более высоких точках опускаются ниже проекции прямой линии первых двух, энергия уходит в сторону и изгибается.
• Следите за ответным ударом. Прогнутые пружины демонстрируют гистерезис: нагрузка на обратном пути ниже, чем нагрузка при том же прогибе на входе, потому что трение о направляющую или отверстие совершает работу.
• Ищите польские ленты. Яркая полоса износа вдоль одной стороны катушек или зеркальная поверхность на направляющем стержне являются прямым свидетельством бокового контакта.
• Проверьте перпендикулярность. Поставьте пружину на пластину напротив квадрата и измерьте зазор между осью и эталоном на верхней витке.
• Повторно измерьте длину в свободном состоянии после полного цикла сжатия. Постоянное поперечное смещение на один-три миллиметра после одного цикла является убедительным индикатором того, что пружина работает слишком близко к порогу продольного изгиба.
• Прокатите пружину по поверхности пластины. Пружина, которая скорее раскачивается, чем плавно катится, искривлена, а изогнутая пружина уже начинает свой срок службы на части пути к короблению.

Где коробление стоит больше всего денег

Потеря устойчивости редко является проблемой, связанной с одной деталью. Это системная проблема, и отрасли с наименьшей терпимостью к боковым перемещениям в сборке ощущают ее в первую очередь.

В подвеске и сиденьях транспортных средств пружина, прогибающаяся внутри сиденья, изменяет скорость вращения колес, изнашивает изолятор сиденья и создает шум, о котором клиенты сразу же сообщают. В производство автомобильных пружин Именно по этой причине постоянство диаметра катушки и прямоугольность концов рассматриваются как функциональные требования. Пружины клапанного механизма работают в узких отверстиях, где любой боковой контакт приводит к износу фиксатора и головки. В аэрокосмических и медицинских сборках часто используются длинные и тонкие пружины в ограниченных отверстиях, поэтому конструкторы встраивают направляющую с первого эскиза, а не ждут неудачного испытания. Пружины телекоммуникационных устройств и соединителей достаточно короткие, поэтому коробление редко становится проблемой, но те же элементы управления шагом и качеством концов, которые предотвращают коробление, также защищают постоянство контактного усилия.

Коммерческий смысл прост. Нарушение устойчивости обычно обнаруживается при сборке или после доставки, что требует доработки, сортировки и проверки конструкции. Все три стоят намного дороже, чем моток проволоки, который мог бы устранить неисправность машины.

Часто задаваемые вопросы о продольном изгибе пружины

При каком коэффициенте гибкости пружина сжатия начинает прогибаться?

Широко используемым значением скрининга является соотношение Lf к D, составляющее около 2,6. Ниже этого значения коробление не рассматривается как практическая проблема. Примерно выше 4 следует направить пружину или переработать конструкцию. Между этими двумя цифрами ответ зависит от того, какую часть свободной длины вы используете, и от конечных условий.

Искривление происходит только при полном сжатии?

Нет. Порог изгиба обычно достигается при 60–80 процентах расчетного критического отклонения, и пружина может находиться в изогнутом состоянии во второй половине своего хода. Вот почему пружина может выдержать испытание на одноточечную нагрузку на рабочей высоте и все равно выйти из строя.

Могут ли только шлифованные концы предотвратить коробление?

Заземленные концы уменьшают эксцентриситет и смещают коэффициент эффективной длины к 0,5, что может существенно повысить пороговое значение. Они не заменяют направляющую действительно тонкой пружины. Шлифование фиксирует введение нагрузки; это не может изменить тот факт, что сама пружина слишком длинна по сравнению с ее диаметром.

Перестанет ли переход на более прочную проволоку коробиться?

Почти никогда. Потеря устойчивости зависит от геометрии и модуля упругости, а модуль любой обычной пружинной стали находится в пределах нескольких процентов от 200 до 210 ГПа. Более высокий класс повышает нагрузку, которую может выдержать проволока, а это вопрос усталости и устойчивости, а не вопрос стабильности.

Действительно ли снятие стресса влияет на прямолинейность?

Это так, и эффект измерим. Пружина с холодной навивкой, напряжение которой не снято должным образом, будет расслабляться под нагрузкой неравномерно, причем релаксация имеет тенденцию происходить на стороне витка, несущей наибольшее остаточное напряжение. В результате получается лук, который растет в течение первых нескольких сотен циклов.

Всегда ли направляющий стержень является ответом?

Это самая надежная мера, но она приносит свои проблемы: трение, износ и зазор, который должен быть достаточно плотным, чтобы работать, но достаточно свободным, чтобы избежать заедания. Там, где направляющая невозможна, вложенные пружины или более короткая и жесткая конструкция с уменьшенным ходом обычно дают лучший общий результат.

Чем выпучивание отличается от помпажа?

Потеря устойчивости — это статическая боковая нестабильность, вызванная нагрузкой и гибкостью. Помпаж — это динамическое явление, обусловленное частотой возбуждения, и короткая, приземистая пружина может резко подниматься, но никогда не приближается к изгибу. Исправления не связаны друг с другом, поэтому диагностика должна предшествовать корректирующим действиям.

Пружинное коробление предсказуемо, и это хорошая новость. Определите коэффициент гибкости, определите эффективное конечное условие, постройте график рабочей точки в соответствии с отраслевой кривой потери устойчивости, а затем проверьте, действительно ли процесс может поддерживать геометрию, предполагаемую расчетами. В большинстве случаев исправлением является более короткая пружина, шлифованный конец, направляющая подходящего размера или процесс намотки и термообработки, который сохраняет прямолинейность партия за партией.

Сначала прогоните номера, потом осмотрите сиденья и только потом меняйте пружину. Такой порядок экономит больше всего времени и проводов.