Tlačné pružiny ukládají mechanickou energii při stlačení a uvolňují mechanickou energii, když je zátěž odstraněna. Ačkoli jsou tlačné pružiny obecně vyrobeny z pružinové oceli, mohou také obsahovat uhlík, hořčík, nikl, chrom, cín, měď, wolfram a hliník.
Různé materiály vytvářejí pro tlačné pružiny různé stupně pružnosti a kapacity akumulace energie.
Robert Hooke již v roce 1676 navrhl vzorec pro výpočet síly vyvíjené pružinou, která je úměrná jejímu prodloužení.
Tlačné pružiny jsou mechanická zařízení speciálně navržená pro snímání axiálních tlakových zatížení. Obvykle se také mohou natáhnout a otočit do bodu. Obecně řečeno, tlačné pružiny mohou akumulovat mechanickou energii, když jsou vystaveny tlakovému zatížení. Jakmile je zátěž odstraněna, vrátí se do svého původního tvaru a velikosti - podstoupí pružnou deformaci.
Tato jedinečná schopnost ukládat potenciální energii v kombinaci s její relativní jednoduchostí a cenovou dostupností činí tlačné pružiny cennými v široké škále aplikací. Od tlačítek mechanických klávesnic, matrací a kuličkových per až po střelné zbraně a tlumiče pérování automobilů. Od 15. století se u nás používají tlačné pružiny a první tlačná pružina se používala v hodinových přístrojích.
Druhy tlačných pružin
Tlačné pružiny mohou mít mnoho různých geometrických tvarů. Nejběžnější jsou spirálové nebo spirálové pružiny. Tento tvar je oblíbenější než jiné tvary, protože umožňuje bezproblémovou vysokou kompresi a expanzi do bodu. Je také lehčí, protože používá méně materiálů, aby splnila potřebu absorbovat tlakové zatížení. Konečně tvar vinuté pružiny dává tomuto typu relativně velkou pružinovou konstantu (což bude podrobně vysvětleno později).
Tato kategorie se dále dělí na podkategorie, včetně:
Materiál tlačné pružiny
Tlačné pružiny jsou obvykle vyrobeny z pružinové oceli, což je druh oceli s vysokou mezí kluzu. To jim umožňuje zachovat si svůj původní tvar, velikost a tvar i při extrémní deformaci. Proto mají tyto oceli pod napětím velký prostor elastické deformace. To se děje na molekulární úrovni, takže složení těchto ocelí má významný vliv na jejich elasticitu.
Obecně řečeno pružinová ocel obsahuje uhlík a mangan, dále nikl, chrom, molybden, cín, vanad, měď, železo, wolfram a hliník. Pružinová ocel je klasifikována oficiální ASTM na základě její meze kluzu a tvrdosti, takže různé materiálové složení může být vhodné pro různé aplikace. Například ASTM A228 se používá pro klavírní struny obsahující 0,7 % -1 % uhlíku a 0,2 % -0,6 % manganu, s maximální výtěžností pevnost 530 megapascalů a pevnost v tahu 400 megapascalů.
Charakteristika tlačných pružin
V této části se zaměřím na představení nevinutých vinutých pružin, protože tyto pružiny jsou nejpoužívanějšími tlačnými pružinami. Tyto pružiny mají určité vlastnosti, které mají velký význam pro jejich výkon. Vnější průměr (D) se vztahuje k průměru válce tvořeného pružinou při pohledu shora. Průměr cívky se vztahuje k tloušťce (d) pružinového drátu, který je rovněž válcový. Volná délka (L) se vztahuje k celkové délce pružiny bez jakéhokoli stlačení, zatímco efektivní šroubovice (na) a celková šroubovice (n) jsou počet cívek, které ukládají a uvolňují mechanickou energii, a počet cívek sběrnice ( alespoň dva jsou věnovány konci/základně pružiny). Dalším důležitým morfologickým atributem je směr otáčení, který může být vlevo nebo vpravo.
Síla vyvíjená pružinou je úměrná jejímu prodloužení, což je zákon navržený Robertem Hookem v roce 1676, během několika krátkých let po aplikaci první pružiny. Hooke představil tento vzorec světu. "F=- kx", kde F je síla pružiny, x je vzdálenost natažení a k je konstanta pružiny. Každá pružina je jiná a určuje ji výrobce pomocí experimentů nebo uživatel pomocí vzorců. K=Gd4/[83dna]. Jak již bylo zmíněno dříve, soudkové a kuželové závity jsou nelineární pružiny, takže se na ně Hookeův zákon nevztahuje. Hookeův zákon neplatí pro pružiny, které se již deformovaly nebo překročily obecnou mez pružnosti.
Síla plně stlačené pružiny
Pro výpočet síly plně stlačené pružiny můžeme použít tento vzorec. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E je Youngův modul, d je průměr ocelového drátu, L je volná délka a n je počet efektivních šroubovic/cívek, ν je Poissonův poměr a D je vnější průměr. Je zřejmé, že některé z nich jsou určeny ocelí zvolenou konstruktérem, zatímco jiné jsou určeny tvarem, tvarem a velikostí pružiny.
Úvahy o designu
Při navrhování tlačné pružiny je první věcí, kterou se musíte rozhodnout, jaký materiál chcete použít. Poté z tabulky údajů najděte modul smyku (G) a pevnost v tahu (TS). Tyto dva faktory jsou klíčové pro stanovení procenta napětí, například při výpočtu požadavků na zatížení (100* σ/ Vypočítejte míru stlačení pružiny při vyvolání určitého zatížení na základě pevnosti v tahu.
Dalším důležitým hlediskem je průměr pružiny při stlačení na maximální bod. Spirálové tlačné pružiny mají tendenci zvětšovat průměr během stlačení. Je tedy důležité vypočítat toto rozšíření pomocí vzorce "rozšíření={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
Index pružiny je důležitý a konstruktéři se jej snaží udržovat v rozmezí 4 až 10. Jeho výpočetní metoda je "C=(Dd/d)", což poskytuje dobrý koncept poměru drátu tloušťka k průměru pružiny. To určí celkovou pevnost pružiny (menší je silnější, ale větší se snáze stlačuje).
