How Do You Calculate an Extension Spring's Rate?

You've chosen a spring, but it's too stiff or too weak. این بازی حدس زدن منجر به عملکرد ضعیف می شود, شکست محصول, و بازطراحی های پرهزینه, پروژه خود را در حالی که به دنبال راه حل هستید متوقف می کند.

The spring rate is calculated using a formula that considers the material's shear modulus (جی), قطر سیم[^1] (د), میانگین قطر سیم پیچ[^2] (D), و تعداد کویل های فعال (در حال حاضر). These physical properties directly determine the spring's stiffness.

I've seen countless projects get delayed simply because the spring rate was an afterthought. یک مهندس کل مجموعه را طراحی می کند و سپس سعی می کند یک فنر مناسب پیدا کند, فقط برای کشف هیچکدام نرخ مناسبی ندارند. در LINSPRING, ما همیشه با نیروی لازم شروع می کنیم. با محاسبه لازم نرخ بهار[^ 3] اول, ما می توانیم فنری طراحی کنیم که عملکرد دقیق مورد نیاز را ارائه دهد, صرفه جویی در وقت مشتریان ما, پول, و ناامیدی زیاد. Let's look at how this calculation is done.

فرمول اصلی برای محاسبه نرخ فنر چیست؟?

شما می بینید نرخ بهار[^ 3] فرمول, و ترسناک به نظر می رسد. You're worried that if you misinterpret just one of the variables, کل محاسبه شما اشتباه خواهد بود, منجر به هدر رفتن نمونه های اولیه می شود.

فرمول اولیه این است: *k = (جی d4) / (8 D³ در حال حاضر)**. ممکن است پیچیده به نظر برسد, but it's just a combination of the spring's material (جی), سیم آن (د), هندسه آن (D), و تعداد سیم پیچ های آن (در حال حاضر).

من اغلب به مهندسان جدید تیمم می گویم که از این فرمول نترسند. مثل یک دستور غذا به آن فکر کنید. مواد تشکیل دهنده مواد شما هستند, سیم, و ابعاد سیم پیچ. فرمول مجموعه دستورالعمل‌هایی است که به شما می‌گوید چگونه این مواد ترکیب می‌شوند تا طعم نهایی را تولید کنند," which is your spring's stiffness. The most important thing I've learned is how powerful the قطر سیم[^1] (د) است. Because it's raised to the fourth power, حتی یک تغییر کوچک در اندازه سیم تأثیر زیادی بر نرخ نهایی فنر خواهد داشت. It's the most critical ingredient in the entire recipe.

درک هر متغیر در فرمول

هر قسمت از فرمول نشان دهنده یک ویژگی فیزیکی متمایز از فنر است. درست کردن هر کدام برای یک نتیجه دقیق ضروری است. دو عامل تاثیرگذار، قطر سیم و متوسط ​​قطر سیم پیچ هستند.

• مدول صلبیت (جی): این خاصیت خود ماده است, نشان دهنده مقاومت آن در برابر پیچش است. For steel, it's around 11.5 million psi.
• قطر سیم (د): ضخامت سیم فنر. این بیشترین تأثیر را روی نرخ دارد.
• Mean Coil Diameter (D): قطر متوسط ​​سیم پیچ ها, به عنوان قطر بیرونی منهای یک قطر سیم محاسبه می شود.
• Active Coils (در حال حاضر): تعداد کلاف های بدنه فنر که آزادانه کشش دارند.

چگونه به درستی تعداد کویل های فعال را تعیین می کنید؟?

شما تعداد کل سیم پیچ ها را از سر به انتها شمردید. اما وقتی از آن عدد در فرمول استفاده می کنید, شما محاسبه کردید نرخ بهار[^ 3] doesn't match the test data.

این یک اشتباه رایج است. تعداد کویل های فعال (در حال حاضر) فقط شامل سیم پیچ های بدنه اصلی فنر می شود. The end hooks or loops are not considered active because they do not contribute to the spring's deflection.

من یک بار با مشتری کار می کردم که در حال طراحی فنر برای بند سگ قابل جمع شدن بود. آنها محاسبات خود را انجام دادند و برای ما نقاشی فرستادند. نرخ فنری که مشخص کردند بسیار بود, بسیار کمتر از آنچه که فرمول برای طراحی آنها پیش بینی کرده بود. بهشون زنگ زدم, و با هم محاسبات را طی کردیم. معلوم شد که آنها سیم پیچ هایی را که قلاب های انتهایی را تشکیل می دادند در آنها گنجانده بودند "کویل های فعال[^5]" شمارش. قلاب ها برای انتقال بار وجود دارند, نه کشش. یک بار آن یک عدد را اصلاح کردیم, محاسبات ما کاملا مطابقت داشت. سپس توانستیم طرح را طوری تنظیم کنیم که صاف و یکدست شود, کشش ملایم آنها برای افسار می خواستند.

سیم پیچ بدنه در مقابل. حلقه های پایانی

The distinction between active and inactive coils is based on their function. Only the coils that are free to twist under load are considered active.

• Body Coils: These are the primary coils that form the length of the spring. When you pull on the spring, these coils un-twist slightly, which is what creates the extension. Therefore, they are all active.
• End Hooks/Loops: These are formed from the last coil or two on each end. Their job is to attach the spring to your assembly. They transfer force but are not designed to flex or contribute to the spring's travel. They are considered "dead" or inکویل های فعال[^5]. بنابراین, for a standard extension spring, Na = the number of coils in the body.

How Can You Calculate Rate from a Physical Spring?

بهار داری, but you don't know its specifications. شما باید نرخ آن را بدون داشتن نقشه های طراحی یا دانستن مواد پیدا کنید, استفاده از فرمول را غیرممکن می کند.

با یک تست ساده دو نقطه ای می توانید میزان را به صورت تجربی تعیین کنید. نیروی مورد نیاز برای کشش فنر به دو طول مختلف را اندازه گیری کنید. را نرخ بهار[^ 3] تغییر نیرو تقسیم بر تغییر طول است.

این کاری است که ما هر روز در آزمایشگاه کیفیت خود انجام می دهیم. It's the most practical and reliable way to verify a spring's rate. من یک مشتری داشتم که سعی می کرد فنر شکسته را در یک قطعه از تجهیزات کشاورزی قدیمی جایگزین کند. سازنده اصلی از کار افتاده بود, و هیچ نقاشی وجود نداشت. او فنر شکسته را برای ما فرستاد. We couldn't use the design formula because we weren't 100% مطمئن از مواد. در عوض, ما آن را روی بار سنج خود قرار دادیم. بار را در یک اینچ سفر و در دو اینچ سفر اندازه گیری کردیم. با کم کردن نیروها و طول ها, ما نرخ دقیق فنر را محاسبه کردیم. از آنجا, ما می توانیم یک جایگزین کامل بسازیم.

روش تست دو نقطه ای

این روش ساده است و فقط به ابزارهای اندازه گیری اولیه نیاز دارد.

1. نقطه اندازه گیری 1: فنر را به طول مشخصی بکشید (L1) و نیرو را ثبت کنید (F1).
2. نقطه اندازه گیری 2: فنر را بیشتر تا یک طول شناخته شده دوم بکشید (L2) و نیرو را ثبت کنید (F2).
3. نرخ را محاسبه کنید (ک): از فرمول استفاده کنید: k = (F2 - F1) / (L2 - L1).

به عنوان مثال, اگر فنر باری از 20 پوند در 4 اینچ و 30 پوند در 6 اینچ:

• تغییر در نیرو = 30 پوند - 20 پوند = 10 پوند
• تغییر در طول = 6 اینچ - 4 اینچ = 2 اینچ
• نرخ بهار (ک) = 10 پوند / 2 اینچ = 5 پوند/اینچ

نتیجه گیری

You can calculate an extension spring's rate theoretically using its physical dimensions and material, یا عملا با آزمایش آن. هر دو روش برای طراحی و تأیید دقیق فنر ضروری هستند.

[^1]: بیاموزید که چگونه قطر سیم به طور قابل توجهی بر سفتی فنر و عملکرد کلی تأثیر می گذارد.
[^2]: اهمیت قطر متوسط ​​سیم پیچ در تعیین ویژگی ها و عملکرد فنر را کشف کنید.
[^ 3]: درک فرمول نرخ فنر برای طراحی فنرهای موثر که الزامات عملکردی خاص را برآورده می کنند، بسیار مهم است.
[^4]: در مورد مدول صلبیت و نقش آن در انتخاب مواد برای فنرها بینش به دست آورید.
[^5]: درک کویل های فعال برای محاسبات دقیق و طراحی موثر فنر ضروری است.