Τα ελατήρια συμπίεσης αποθηκεύουν μηχανική ενέργεια όταν συμπιέζονται και απελευθερώνουν μηχανική ενέργεια όταν αφαιρείται το φορτίο. Αν και τα ελατήρια συμπίεσης είναι γενικά κατασκευασμένα από χάλυβα ελατηρίου, μπορεί επίσης να περιέχουν άνθρακα, μαγνήσιο, νικέλιο, χρώμιο, κασσίτερο, χαλκό, βολφράμιο και αλουμίνιο.
Διαφορετικά υλικά δημιουργούν διαφορετικούς βαθμούς ελαστικότητας και ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας για τα ελατήρια συμπίεσης.
Ο Robert Hooke πρότεινε έναν τύπο ήδη από το 1676 για τον υπολογισμό της δύναμης που ασκεί ένα ελατήριο, η οποία είναι ανάλογη με την επιμήκυνσή του.
Τα ελατήρια συμπίεσης είναι μηχανικές συσκευές ειδικά σχεδιασμένες για την ανίχνευση αξονικών θλιπτικών φορτίων. Συνήθως μπορούν επίσης να τεντωθούν και να περιστραφούν σε ένα σημείο. Σε γενικές γραμμές, τα ελατήρια συμπίεσης μπορούν να αποθηκεύσουν μηχανική ενέργεια όταν υποβάλλονται σε συμπιεστικά φορτία. Μόλις αφαιρεθεί το φορτίο, θα επιστρέψουν στο αρχικό τους σχήμα και μέγεθος - υφίστανται ελαστική παραμόρφωση.
Αυτή η μοναδική ικανότητα αποθήκευσης δυναμικής ενέργειας, σε συνδυασμό με τη σχετική απλότητα και προσιτή τιμή, καθιστά τα ελατήρια συμπίεσης πολύτιμα σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Από μηχανικά κουμπιά πληκτρολογίου, στρώματα και στυλό, μέχρι πυροβόλα όπλα και αμορτισέρ ανάρτησης αυτοκινήτου. Από τον 15ο αιώνα χρησιμοποιούμε ελατήρια συμπίεσης και το πρώτο ελατήριο συμπίεσης χρησιμοποιήθηκε σε συσκευές ρολογιού.
Τύποι ελατηρίων συμπίεσης
Τα ελατήρια συμπίεσης μπορούν να έχουν πολλά διαφορετικά γεωμετρικά σχήματα. Τα πιο συνηθισμένα είναι τα πηνία ή τα σπειροειδή ελατήρια. Αυτό το σχήμα είναι πιο δημοφιλές από άλλα σχήματα επειδή επιτρέπει την απρόσκοπτη υψηλή συμπίεση και διαστολή σε ένα σημείο. Είναι επίσης ελαφρύτερο γιατί χρησιμοποιεί λιγότερα υλικά για να καλύψει την ανάγκη απορρόφησης συμπιεστικών φορτίων. Τέλος, το σχήμα του σπειροειδούς ελατηρίου δίνει σε αυτόν τον τύπο μια σχετικά μεγάλη σταθερά ελατηρίου (η οποία θα εξηγηθεί λεπτομερώς αργότερα).
Αυτή η κατηγορία χωρίζεται περαιτέρω σε υποκατηγορίες, όπως:
Υλικό ελατηρίου συμπίεσης
Τα ελατήρια συμπίεσης κατασκευάζονται συνήθως από χάλυβα ελατηρίου, που είναι ένας τύπος χάλυβα με υψηλή αντοχή διαρροής. Αυτό τους επιτρέπει να διατηρούν το αρχικό τους σχήμα, μέγεθος και σχήμα ακόμα και όταν παραμορφώνονται στο άκρο. Επομένως, αυτοί οι χάλυβες έχουν μεγάλο χώρο ελαστικής παραμόρφωσης υπό τάση. Αυτό συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο, επομένως η σύνθεση αυτών των χάλυβων έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ελαστικότητά τους.
Σε γενικές γραμμές, ο χάλυβας ελατηρίου περιέχει άνθρακα και μαγγάνιο, καθώς και νικέλιο, χρώμιο, μολυβδαίνιο, κασσίτερο, βανάδιο, χαλκό, σίδηρο, βολφράμιο και αλουμίνιο. Ο χάλυβας ελατηρίου ταξινομείται από την επίσημη ASTM με βάση την αντοχή διαρροής και τη σκληρότητά του, επομένως διαφορετικές συνθέσεις υλικών μπορούν να είναι κατάλληλες για διαφορετικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, το ASTM A228 χρησιμοποιείται για χορδές πιάνου, που περιέχουν 0.7% -1% άνθρακα και 0.2% -0.6% μαγγάνιο, με μέγιστη απόδοση αντοχή 530 megapascals και αντοχή εφελκυσμού 400 megapascal.
Χαρακτηριστικά των ελατηρίων συμπίεσης
Σε αυτήν την ενότητα, θα επικεντρωθώ στην εισαγωγή των μη τυλιγμένων σπειροειδών ελατηρίων, καθώς αυτά τα ελατήρια είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα ελατήρια συμπίεσης. Αυτά τα ελατήρια έχουν ορισμένα χαρακτηριστικά που έχουν μεγάλη σημασία για την απόδοσή τους. Η εξωτερική διάμετρος (D) αναφέρεται στη διάμετρο του κυλίνδρου που σχηματίζεται από το ελατήριο όταν το βλέπουμε από την κορυφή. Η διάμετρος του πηνίου αναφέρεται στο πάχος (d) του σύρματος ελατηρίου, το οποίο είναι επίσης κυλινδρικό. Το ελεύθερο μήκος (L) αναφέρεται στο συνολικό μήκος του ελατηρίου χωρίς καμία συμπίεση, ενώ η ενεργή έλικα (na) και η συνολική έλικα (n) είναι ο αριθμός των πηνίων που αποθηκεύουν και απελευθερώνουν μηχανική ενέργεια και ο αριθμός των πηνίων διαύλου ( τουλάχιστον δύο είναι αφιερωμένες στο τέλος/βάση του ελατηρίου). Ένα άλλο σημαντικό μορφολογικό χαρακτηριστικό είναι η φορά περιστροφής, η οποία μπορεί να είναι αριστερά ή δεξιά.
Η δύναμη που ασκεί ένα ελατήριο είναι ανάλογη με την επιμήκυνσή του, ένας νόμος που προτάθηκε από τον Robert Hooke το 1676, μέσα σε λίγα χρόνια από την εφαρμογή του πρώτου ελατηρίου. Ο Χουκ εισήγαγε αυτή τη φόρμουλα στον κόσμο. "F=- kx", όπου F είναι η δύναμη του ελατηρίου, x είναι η απόσταση τάνυσης και k η σταθερά του ελατηρίου. Κάθε ελατήριο είναι διαφορετικό και καθορίζεται από τον κατασκευαστή μέσω πειραμάτων ή από τον χρήστη μέσω τύπων. K=Gd4/[83dna]. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα βαρέλια και τα κωνικά πηνία είναι μη γραμμικά ελατήρια, επομένως ο νόμος του Hooke δεν ισχύει για αυτά. Ο νόμος του Hooke δεν ισχύει για ελατήρια που έχουν ήδη παραμορφωθεί ή υπερβεί το γενικό όριο ελαστικότητας.
Η δύναμη ενός πλήρως συμπιεσμένου ελατηρίου
Για να υπολογίσουμε τη δύναμη του πλήρως συμπιεσμένου ελατηρίου, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτόν τον τύπο. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E είναι ο συντελεστής του Young, d είναι η διάμετρος του χαλύβδινου σύρματος, L είναι το ελεύθερο μήκος και n είναι ο αριθμός των ενεργών ελίκων/πηνίων, ν Είναι ο λόγος Poisson και D είναι η εξωτερική διάμετρος. Είναι προφανές ότι ορισμένα από αυτά καθορίζονται από το ατσάλι που επιλέγει ο σχεδιαστής, ενώ άλλα καθορίζονται από τη μορφή, το σχήμα και το μέγεθος του ελατηρίου.
Ζητήματα σχεδιασμού
Όταν σχεδιάζετε ένα ελατήριο συμπίεσης, το πρώτο πράγμα που πρέπει να αποφασίσετε είναι ποιο υλικό θέλετε να χρησιμοποιήσετε. Στη συνέχεια, βρείτε το μέτρο διάτμησης (G) και την αντοχή εφελκυσμού (TS) από τον πίνακα δεδομένων. Αυτοί οι δύο παράγοντες είναι κρίσιμοι για τον προσδιορισμό του ποσοστού τάσης, για παράδειγμα, κατά τον υπολογισμό των απαιτήσεων φορτίου (100* σ/ Υπολογίστε τον βαθμό συμπίεσης του ελατηρίου όταν προκαλείται ένα συγκεκριμένο φορτίο, με βάση την αντοχή εφελκυσμού.
Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο είναι η διάμετρος του ελατηρίου όταν συμπιέζεται στο μέγιστο σημείο του. Τα σπειροειδή ελατήρια συμπίεσης τείνουν να αυξάνουν σε διάμετρο κατά τη συμπίεση. Επομένως, είναι σημαντικό να υπολογίσετε αυτήν την επέκταση χρησιμοποιώντας τον τύπο "expansion={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
Ο δείκτης του ελατηρίου είναι σημαντικός και οι σχεδιαστές προσπαθούν να τον διατηρήσουν στην περιοχή από 4 έως 10. Η μέθοδος υπολογισμού του είναι "C=(Dd/d)", η οποία παρέχει μια καλή ιδέα για την αναλογία του σύρματος πάχος έως διάμετρος ελατηρίου. Αυτό θα καθορίσει τη συνολική αντοχή του ελατηρίου (το μικρότερο είναι ισχυρότερο, αλλά το μεγαλύτερο είναι πιο εύκολο να συμπιεστεί).
