How Do You Calculate an Extension Spring's Rate?
You've chosen a spring, but it's too stiff or too weak. Bu təxmin oyunu zəif performansa gətirib çıxarır, məhsul uğursuzluqları, və bahalı yenidən dizaynlar, bir həll axtararkən layihənizi dayandırır.
The spring rate is calculated using a formula that considers the material's shear modulus (G), məftil diametri[^ 1] (d), orta bobin diametri[^ 2] (D), və aktiv rulonların sayı (Artıq). These physical properties directly determine the spring's stiffness.
I've seen countless projects get delayed simply because the spring rate was an afterthought. Mühəndis bütöv bir montajı dizayn edəcək və sonra uyğun bir ehtiyat yayı tapmağa çalışacaq, yalnız tapmaq üçün heç birinin düzgün dərəcəsi yoxdur. LINSPRING-də, biz həmişə lazım olan qüvvə ilə başlayırıq. Lazım olanı hesablayaraq bahar sürəti[^3] birinci, biz tələb olunan dəqiq performansı təmin edən yay dizayn edə bilərik, müştərilərimizin vaxtına qənaət etmək, pul, və bir çox məyusluq. Let's look at how this calculation is done.
Bahar dərəcəsini hesablamaq üçün əsas düstur nədir?
Görürsən bahar sürəti[^3] düstur, və qorxuducu görünür. You're worried that if you misinterpret just one of the variables, bütün hesablamanız səhv olacaq, boşa çıxan prototiplərə gətirib çıxarır.
Əsas düstur budur: *k = (G d⁴) / (8 D³ Artıq)**. Bu mürəkkəb görünə bilər, but it's just a combination of the spring's material (G), onun teli (d), onun həndəsəsidir (D), və onun rulonlarının sayı (Artıq).
Komandamdakı yeni mühəndislərə tez-tez deyirəm ki, bu düsturdan qorxmasınlar. Bunu bir resept kimi düşünün. Tərkiblər sizin materialınızdır, tel, və rulon ölçüləri. Düstur bu inqrediyentlərin son "ləzzət" yaratmaq üçün necə birləşəcəyini sizə izah edən təlimatlar toplusudur," which is your spring's stiffness. The most important thing I've learned is how powerful the məftil diametri[^ 1] (d) edir. Because it's raised to the fourth power, telin ölçüsündə hətta kiçik bir dəyişiklik son yay sürətinə böyük təsir göstərəcəkdir. It's the most critical ingredient in the entire recipe.
Formuladakı hər bir dəyişəni anlamaq
Formulun hər bir hissəsi yayının fərqli fiziki xarakteristikasını təmsil edir. Dəqiq nəticə əldə etmək üçün hər birini düzgün əldə etmək vacibdir. Ən təsirli iki amil telin diametri və orta bobin diametridir.
- Sərtlik Modulu (G): Bu materialın özünə məxsus bir xüsusiyyətdir, bükülməyə qarşı müqavimətini təmsil edir. Polad üçün, it's around 11.5 milyon psi.
- Məftil diametri (d): Yay telinin qalınlığı. Bu, məzənnəyə ən böyük təsir göstərir.
- Orta Bobin diametri (D): Bobinlərin orta diametri, Xarici Diametr mənfi bir Tel diametri kimi hesablanır.
- Aktiv rulonlar (Artıq): Yayın gövdəsində sərbəst uzanan rulonların sayı.
| Dəyişkən | ad | Təsvir |
|---|---|---|
| k | Bahar dərəcəsi | The spring's stiffness, uzunluq vahidi üçün qüvvə ilə ölçülür (E.G., lb/in). |
| G | Sərtlik Modulu[^4] | Müəyyən bir ərinti üçün sabit olan maddi xüsusiyyət. |
| d | Məftil diametri | Yayı hazırlamaq üçün istifadə olunan telin diametri. |
| D | Orta Bobin diametri | Bir tərəfdən telin mərkəzindən digərinə orta diametri. |
| Artıq | Aktiv rulonlar | Enerji saxlayan və buraxan rulonların sayı. |
Aktiv Bobinlərin Sayısını Necə Düzgün Müəyyən Edirsiniz?
Bobinlərin ümumi sayını uçdan uca saydınız. Amma düsturda həmin rəqəmdən istifadə etdikdə, sizin hesabladığınız bahar sürəti[^3] doesn't match the test data.
Bu ümumi səhvdir. Aktiv bobinlərin sayı (Artıq) yalnız yayın əsas gövdəsindəki rulonları əhatə edir. The end hooks or loops are not considered active because they do not contribute to the spring's deflection.
Bir dəfə geri çəkilə bilən it ipi üçün yay hazırlayan bir müştəri ilə işlədim. Öz hesablamalarını aparıb bizə rəsm göndərdilər. Onların təyin etdiyi yaz dərəcəsi çox idi, düsturun onların dizaynı üçün nəzərdə tutduğundan xeyli aşağıdır. Mən onlara zəng etdim, və biz birlikdə hesablama ilə getdik. Məlum oldu ki, onlar son qarmaqları meydana gətirən rulonları özlərinə daxil ediblər "fəal rulonlar[^5]" saymaq. Qarmaqlar yükü ötürmək üçün oradadır, uzanmamaq. Bir dəfə biz bu nömrəni düzəltdik, hesablamalarımız mükəmməl uyğunlaşdı. Daha sonra onlara hamarlıq vermək üçün dizaynı tənzimləyə bildik, zərif çəkməni istədilər.
Bədən Bobinləri vs. Son Döngələr
Aktiv və qeyri-aktiv rulonlar arasındakı fərq onların funksiyasına əsaslanır. Yalnız yük altında burulmaqda sərbəst olan rulonlar aktiv sayılır.
- Bədən Bobinləri: Bunlar yayın uzunluğunu təşkil edən əsas rulonlardır. Yayı çəkdiyiniz zaman, bu rulonlar bir az bükülür, uzantısını yaradan budur. Buna görə də, hamısı aktivdir.
- Son qarmaqlar/döngülər: Bunlar hər iki ucunda sonuncu və ya iki rulondan əmələ gəlir. Onların işi yayı montajınıza bağlamaqdır. They transfer force but are not designed to flex or contribute to the spring's travel. Onlar "ölü" sayılırlar" ya dafəal rulonlar[^5]. Beləliklə, standart uzatma yayı üçün, Na = bədəndəki rulonların sayı.
| Yay komponenti | Funksiya | Aktiv? |
|---|---|---|
| Bədən Bobinləri | Yandırmaqla enerjini saxla və burax. | Bəli |
| Son qarmaqlar/döngülər | Yükü montaja köçürün. | Yox |
Fiziki yaydan dərəcəsini necə hesablamaq olar?
Səndə bahar var, but you don't know its specifications. Dizayn cizgiləriniz olmadan və ya materialı bilmədən onun dərəcəsini tapmaq lazımdır, düsturdan istifadəni qeyri-mümkün edir.
Sadə iki ballıq testlə dərəcəsini eksperimental olaraq təyin edə bilərsiniz. Yayı iki müxtəlif uzunluğa uzatmaq üçün lazım olan qüvvəni ölçün. Bu bahar sürəti[^3] qüvvənin dəyişməsinin uzunluq dəyişikliyinə bölünməsidir.
Bu, keyfiyyət laboratoriyamızda hər gün etdiyimiz bir şeydir. It's the most practical and reliable way to verify a spring's rate. Mənim bir müştərim var idi, o, köhnə təsərrüfat avadanlığında qırılan yayı dəyişdirməyə çalışırdı. Orijinal istehsalçı işdən çıxdı, və heç bir rəsm yox idi. Bizə sınmış bulağı göndərdi. We couldn't use the design formula because we weren't 100% materialdan əmin olun. Əvəzində, biz onu yük test cihazımıza qoyduq. Biz yükü bir düym səyahətdə və iki düym səyahətdə ölçdük. Qüvvələr və uzunluqları çıxmaqla, biz dəqiq yaz dərəcəsini hesabladıq. From there, biz mükəmməl əvəz istehsal edə bilər.
İki nöqtəli test metodu
Bu üsul sadədir və yalnız əsas ölçmə vasitələrini tələb edir.
- Ölçü Nöqtəsi 1: Yayı məlum uzunluğa qədər uzatın (L1) və qüvvəni qeyd edin (F1).
- Ölçü Nöqtəsi 2: Yayı ikinci məlum uzunluğa qədər uzatın (L2) və qüvvəni qeyd edin (F2).
- Dərəcəni hesablayın (k): Formuladan istifadə edin: k = (F2 - F1) / (L2 - L1).
Məsələn, yay bir yük göstərirsə 20 lbs at 4 düym və 30 lbs at 6 düym:
- Qüvvədə Dəyişiklik = 30 lbs - 20 funt = 10 lbs
- Uzunluqda dəyişiklik = 6 düym - 4 düym = 2 düym
- Bahar dərəcəsi (k) = 10 lbs / 2 düym = 5 funt/düym
| addım | Fəaliyyət | Nümunə Dəyər |
|---|---|---|
| 1. İlk Oxu | Rekord qüvvəsi (F1) Uzunluqda (L1). | 20 lbs at 4 düym. |
| 2. İkinci Oxu | Rekord qüvvəsi (F2) Uzunluqda (L2). | 30 lbs at 6 düym. |
| 3. Hesablama | (F2 - F1) / (L2 - L1) |
(30-20)/(6-4) = 5 lbs/in |
Rəy
You can calculate an extension spring's rate theoretically using its physical dimensions and material, və ya praktik olaraq sınaqdan keçirməklə. Hər iki üsul dəqiq yayın dizaynı və yoxlanılması üçün vacibdir.
[^ 1]: Tel diametrinin yayın sərtliyinə və ümumi funksionallığa necə əhəmiyyətli dərəcədə təsir etdiyini öyrənin.
[^ 2]: Yayın xüsusiyyətlərini və performansını təyin etmək üçün orta rulon diametrinin əhəmiyyətini kəşf edin.
[^3]: Yay dərəcəsi düsturunu başa düşmək xüsusi performans tələblərinə cavab verən effektiv yayların layihələndirilməsi üçün çox vacibdir.
[^4]: Sərtlik Modulu və bulaqlar üçün material seçimində onun rolu haqqında məlumat əldə edin.
[^5]: Aktiv rulonları başa düşmək dəqiq hesablamalar və effektiv yay dizaynı üçün vacibdir.