Kuidas torsioonvedrumehhanism tegelikult töötab?

You're designing a product with a hinged lid that needs to snap shut or open with assistance. Teate, et tegemist on väändevedruga, kuid kuidas kõik osad töötavad koos, et luua seda kontrolli, pöörlemisjõud?

A torsion spring mechanism translates the spring's stored energy into useful work by using a central shaft, kinnituspunkt, and the spring's legs. Kui mehhanism liigub, see lükkab vedru ühe jala kõrvale, pöördemomendi loomine, mis püüab komponenti algsesse asendisse tagasi viia.

Tootmise seisukohast, näeme, et kevad ise on vaid pool lugu. Täiuslikult valmistatud torsioonvedru on kasutu, kui seda ei toetaks hästi kavandatud mehhanism. I've seen many designs fail not because the spring was wrong, but because the parts around it didn't allow it to function correctly. Tõeline maagia juhtub kevadel, võll, ja kinnituspunktid töötavad koos ühtsena, usaldusväärne süsteem.

Mis on väändvedrumehhanismi põhikomponendid?

Teie disain vajab pöörlemisfunktsiooni, but a simple pivot isn't enough. Teate, et vedru annab jõudu, but you're unsure how to properly mount and engage it within your assembly.

Standardne väändvedrumehhanism koosneb neljast põhiosast: torsioonvedru ise, keskvõll (või lehtla) et see sobib üle, statsionaarne ankur ühe jala jaoks, ja liikuv komponent, mis haakub teise jalaga.

Levinud viga, mida uutes disainides näen, on keskvõlli unustamine. Üks klient saatis meile kord prototüübi, kus vedru lihtsalt vedeles õõnsuses. Kui kaas avanes, vedru püüdis pingutada, vaid pöördemomendi loomise asemel, selle kogu keha lihtsalt kõverdus ja kõverdus külili. Väändvedru tuleb seestpoolt toetada. Võll, või lehtla, hoiab ära selle juhtumise ja tagab, et kogu energia läheb puhtuse loomisele, pöörlemisjõud.

Pöörlemisjõu anatoomia

Igal mehhanismi osal on konkreetne töö. Kui mõni neist on valesti projekteeritud, kogu süsteem ei tööta ootuspäraselt.

• Torsioonvedru: See on mehhanismi mootor. Selle traadi läbimõõt, pooli läbimõõt, ja mähiste arv määravad pöördemomendi, mida see suudab tekitada.
• Arbor (või Mandrel): See on varras või tihvt, mis jookseb läbi vedru keskosa. Selle peamine ülesanne on hoida vedru joondatud ja vältida selle paindumist koormuse all. The arbor's diameter must be small enough to allow the spring's inside diameter to shrink as it is wound.
• Statsionaarne ankur: Vedru üks jalg peab olema kindlalt kinnitatud sõlme mitteliikuva osa külge. See annab reaktsioonipunkti, mille suhtes pöördemoment tekib. See võib olla pesa, auk, või nööpnõela.
• Aktiivne kaasamispunkt: Vedru teine ​​jalg surub vastu liikumist vajavat osa, nagu kaas, kang, või uks. Kuna see osa pöörleb, see "laadib" vedru, pöörates selle aktiivse jala kõrvale.

Kuidas pöördemomenti mehhanismis arvutatakse ja rakendatakse?

Teie mehhanism vajab kindlat sulgemisjõudu, but you're not sure how to translate that into a spring specification. Choosing a spring that's too weak or too strong will make your product fail.

Torque is calculated based on how far the spring's leg is rotated (nurga läbipaine) oma vabast positsioonist. Insenerid määravad "kevadise määra" ühikutes nagu Newton-millimeetrid kraadi kohta, mis määrab, kui palju pöördemomenti iga pöörlemisastme jaoks genereeritakse.

Kui töötame inseneridega, see on kõige tähtsam vestlus. Nad võivad öelda, "Mul on vaja seda kaant lahti hoida 2 N-m of force when it's at 90 kraadid." Meie ülesanne on kujundada vedru, mis saavutab selle konkreetse nurga all täpselt selle pöördemomendi. Reguleerime traadi suurust, pooli läbimõõt, ja selle sihtmärgi tabamiseks vajalike mähiste arv. We also have to consider the maximum angle the spring will travel to ensure the wire isn't overstressed, mis võib põhjustada selle püsiva deformatsiooni või purunemise.

Konkreetsetele jõududele projekteerimine

Mehhanismi eesmärk on rakendada õigel ajal õiges koguses jõudu. This is controlled by the spring's design and its position within the assembly.

• Kevadmäära määratlemine: Arvutuse tuum on vedrumäär. "jäik" kevadel on kõrge määr (tekitab rohkem pöördemomenti kraadi kohta), samas kui "pehme" kevadel on madal määr. Selle määravad vedru füüsikalised omadused.
• Esialgne pinge ja eelkoormus: Mõnes mehhanismis, vedru on paigaldatud nii, et selle jalad on isegi puhkeasendis juba veidi kõrvale kaldunud. Seda nimetatakse eelkoormuseks või algpingeks. See tagab, et vedru avaldab teatud jõudu juba liikumise algusest peale, mis võib kõrvaldada mehhanismi lõtvuse või kõristid.
• Maksimaalne läbipaine ja stress: Peate teadma maksimaalset nurka, milleni vedru pööratakse. Vedru lükkamine üle selle elastsuse piiri põhjustab selle järeleandmise, meaning it won't return to its original shape and will lose most of its force. Selle vältimiseks projekteerime alati ohutusvaruga.

Millised on väändemehhanismi levinumad tõrkepunktid?

Teie prototüüp töötab, but you're worried about its long-term reliability. Soovite teada, millised osad kõige tõenäolisemalt purunevad, et saaksite neid enne tootmist tugevdada.

Levinumad rikkekohad on vedruväsimus, vale paigaldus, ja kulumine vedrujala ja liikuva osa kokkupuutekohas. Veel üks sagedane probleem on alamõõduline lehtla, mis võimaldab vedrul painduda.

I've inspected hundreds of failed mechanisms over the years. Kõige tavalisem lugu on väsimuse ebaõnnestumine. Vedru lihtsalt puruneb pärast tuhandeid kordi kasutamist. See juhtub peaaegu alati seetõttu, et valiti vale materjal või oli traadi pinge rakenduse jaoks liiga suur. A spring for a car door that's used every day needs a much more robust design than one for a battery compartment that's opened once a year. A good design matches the spring's expected tsükli eluiga[^1] to the product's intended use.

Ehitamine vastupidavuse tagamiseks

Usaldusväärne mehhanism näeb ette ja hoiab ära tavalised rikked nutika disaini ja materiaalsed valikud[^2].

• Kevadväsimus: See on luumurd, mis on põhjustatud korduvast laadimisest ja mahalaadimisest. Tavaliselt ilmneb see kõige suurema stressi kohas, which is often where the leg bends away from the spring's body. Seda saab vältida tugevama materjali kasutamisega (nagu muusikajuhe), pinge vähendamiseks valides suurema traadi läbimõõdu, või selliste protsesside rakendamine nagu haavlite eemaldamine.
• Ankrupunkti rike: Kui pesa või tihvt, mis hoiab paigal olevat jalga, ei ole piisavalt tugev, it can deform or break under the spring's constant force. Korpuse materjal peab olema survega toimetulemiseks piisavalt vastupidav.
• Kulumine ja Galling: Vedru aktiivne jalg hõõrub pidevalt vastu liikuvat komponenti. Aja jooksul, see võib põhjustada soone kulumist korpusesse või jalga endasse. Karastatud terasest sisetüki või rulli kasutamine kontaktpunktis võib selle probleemi suure kasutusega mehhanismide puhul kõrvaldada.

Järeldus

Edukas torsioonvedrumehhanism on terviklik süsteem, kus vedru, võll, ja ankrud on loodud töötama koos, et pakkuda täpset, korratav pöörlemisjõud toote eluea jooksul.

[^1]: Tsükli kasutusea mõistmine aitab teil kujundada vedrusid, mis vastavad nende kavandatud kasutuse nõuetele.
[^2]: Õigete materjalide valimine on teie mehhanismi jõudluse ja vastupidavuse jaoks ülioluline.