How Do You Design an Extension Helical Spring That Won't Fail?

Váš návratový mechanismus je slabý, a pružiny stále selhávají. To vede k nákladným záručním nárokům, redesigny produktů, a poškozenou pověst vaší značky.

Neselhávající design se zaměřuje na tři věci: určení správného počátečního napětí pro správný „pocit," navrhování odolných háčků, které správně zvládají stres, a výběr správného materiálu pro zatížení a prostředí. Správné uvedení těchto tří prvků je klíčem ke spolehlivosti.

I've been manufacturing custom springs for over 14 let, and the most common failure I see in extension springs isn't in the spring's body—it's in the design process itself. Jeden inženýr mi jednou poslal výkres pružiny, která se má použít v lékařském diagnostickém zařízení. Mechanismus byl jemný, ale pružina, kterou specifikovali, měla obrovské počáteční napětí. Když dostali prototypy, the machine's small motor couldn't even begin to stretch the spring. Projekt byl zpožděn o týdny. Soustředili se pouze na poslední sílu, zcela ignorujíc sílu potřebnou k tomu, aby jaro nastartovalo. Proto je pochopení detailů tak důležité.

Co je počáteční napětí a proč na něm tolik záleží?

Vaše pružina zpočátku nemá žádnou sílu, or it's too hard to start pulling. Díky tomu váš produkt nereaguje, levný, a pro koncového uživatele obtížně ovladatelný.

Počáteční napětí je vestavěná síla, vytvořené kroucením drátu při navíjení pružiny. Drží závity pevně pohromadě a musí být překonán, než se pružina začne natahovat. Správná specifikace této síly je nezbytná pro produkt, který funguje tak, jak má.

Think of it as the spring's "preload." Je to skrytá síla, která dodává tažné pružině její jedinečný pocit. Pracoval jsem na projektu pro klienta z automobilového průmyslu, který navrhoval novou západku středové konzoly. První prototyp používal pružinu téměř bez počátečního napětí. Západka se uvolnila a zarachotila. Pro druhý prototyp, zvýšili jsme počáteční napětí. Západka nyní držela pevně na místě, a mělo to zadostiučinění, vysoce kvalitní "snap" když se otevírala a zavírala. We didn't change the spring rate or the final force, pouze počáteční napětí. That small change completely transformed the user's perception of the product's quality. It's a perfect example of how this one specification can make or break the design.

Jak je řízeno a specifikováno počáteční napětí

Tato síla není náhoda; je kritickým výrobním parametrem.

• Proces navíjení: Vytváříme počáteční napětí během výrobního procesu. Jak je pružinový drát navíjen na trn, aplikujeme na něj řízené torzní napětí. Toto napětí způsobuje, že se hotové svitky přitlačují k sobě. Míra stresu, kterou aplikujeme, přímo řídí velikost počátečního napětí.
• Why It's Important for Design: Počáteční napětí určuje zatížení, při kterém se pružina začne vysouvat. Pokud potřebujete, aby mechanismus zůstal zavřený, dokud nepůsobí specifická síla (jako západka nebo dvířka baterie), počáteční napětí je to, co to drží zavřené. Zajišťuje, že když je pružina v klidu, nedochází k žádné vůli nebo vůli v systému.
• Hranice: Existuje omezení počátečního napětí pružiny, který je založen na průměru drátu a indexu cívky. Pokus o zadání příliš velkého počátečního napětí může vést k tomu, že pružina je křehká a náchylná k selhání.

Proč jsou háky nejčastějším bodem selhání?

Tělo vaší pružiny je v pořádku, ale háčky se stále lámou nebo deformují. Toto jediné slabé místo způsobuje selhání celého vašeho produktu v terénu, což vede k drahým výnosům.

Hák je místo, kde je veškerá tažná síla soustředěna do malého, vysoce namáhaná oblast. Ohyb od těla pružiny k háku vytváří napětí. Bez správného designu a uvolnění stresu, tento bod selže kvůli únavě kovu mnohem dříve než pružiny.

Jednou jsem měl klienta, který vyvíjel nový kus cvičebního vybavení. Jejich prototypy selhaly už po několika stovkách cyklů – háky na jejich tažných pružinách se utrhly. Používali standardní strojní hák, který má ostrý ohyb a významný bod napětí. Podíval jsem se na jejich aplikaci a viděl jsem, že pružina také zažívá nějaký kroutivý pohyb. Doporučil jsem jim přejít na crossover hook. Tento design přivádí drát do středu pružiny, který rozkládá napětí mnohem rovnoměrněji a lépe zvládá kroucení. Vyrobili jsme novou sadu prototypů s kříženými háky, a prošli testem 100 000 cyklů bez selhání. It's a classic case where a small change in hook geometry made all the difference.

Výběr háčku, který přežije

Konec jara je důležitější než střed.

• Pochopení stresových faktorů: Představte si sílu proudící jako voda skrz pružinový drát. Ostrý ohyb drátu je jako ostrý kámen v řece – vytváří turbulence a vysoký tlak. V kovu, tento „tlak" se nazývá stres. Postupem času, opakované napěťové cykly způsobí, že se v tomto bodě vytvoří mikroskopická trhlina, což nakonec vede k neúspěchu.
• Na designu háku záleží: Různé konstrukce háčků zvládají toto namáhání různými způsoby. Plná smyčka je nejsilnější, protože nemá žádné ostré ohyby a napětí plyne hladce. Strojní hák je nejběžnější, ale také nejslabší. Křížový hák je dobrý kompromis, nabízí lepší pevnost než strojní hák.
• Úleva od stresu je zásadní: Po navinutí pružiny a vytvoření háčků, musí být tepelně zpracován. Tento proces, tzv. odbourávání stresu, uvolňuje vnitřní pnutí v drátu, která vznikla při výrobě. Přeskočení nebo nesprávné provedení tohoto kroku je zárukou předčasného selhání háčku.

Which Material Is Right for Your Spring's Environment?

Vaše pružina funguje v laboratoři perfektně, but it's rusting or breaking in the real world. Pružina vyrobená ze špatného materiálu při vystavení vlhkosti selže, vysoké teploty, nebo korozivní chemikálie.

The material choice must match the spring's operating environment. Hudební drát je pevný a cenově dostupný, ale snadno rezaví. Nerezová ocel nabízí vynikající odolnost proti korozi. Pro extrémní podmínky, specializované slitiny mohou být jedinou možností.

Skvělým příkladem toho byl pramen, který jsme navrhli pro společnost, která vyrábí vybavení pro rybářské lodě na mořské vodě. Jejich původní design používal pozinkovanou hudební drátěnou pružinu pro západkový mechanismus. Po vybalení to vypadalo skvěle, ale už po pár týdnech na oceánu, pozinkování by se opotřebovalo a pružiny by rezavěly a lámaly by se. Prostředí solné mlhy bylo příliš drsné. Řešení bylo jednoduché: předělali jsme úplně stejnou pružinu pomocí 302 nerez. Bylo to o něco dražší, ale problém s korozí to úplně vyřešilo. Z toho plyne ponaučení, že mechanická konstrukce pružiny je jen polovinou úspěchu; materiální věda je druhá polovina.

Průvodce běžnými materiály pružinových drátů

The wire is the foundation of the spring's performance and lifespan.

• Music Wire (ASTM A228): To je tahoun jarního průmyslu. It's a high-carbon steel that is very strong, má vynikající únavovou životnost, a je relativně levný. Jeho hlavní slabinou je, že nemá téměř žádnou odolnost proti korozi. Musí být chráněn nátěrem, jako je zinkování nebo olej.
• Nerez 302/304 (ASTM A313): Jedná se o nejběžnější nerezovou ocel pro pružiny. Má dobrou pevnost a vynikající odolnost proti korozi, takže je ideální pro lékařské přístroje, zpracování potravin, a venkovní aplikace. It's more expensive than music wire.
• Nerez 17-7 PH (ASTM A313): Jedná se o vysoce výkonný, precipitačně kalená nerezová ocel. Po tepelné úpravě, může dosáhnout úrovně pevnosti srovnatelné s hudebním drátem a zároveň má vynikající odolnost proti korozi a výkon při vysokých teplotách. Používá se v letectví a ve vysoce výkonných průmyslových aplikacích.

Závěr

Spolehlivá tažná pružina vyžaduje správné počáteční napětí, odolné háčky, a správný materiál. Zaměřte se ve svém návrhu na tyto tři oblasti, abyste zajistili dlouhodobý výkon a předešli běžným poruchám.