How Do You Calculate an Extension Spring's Rate?

You've chosen a spring, but it's too stiff or too weak. Þessi giskaleikur leiðir til lélegrar frammistöðu, vörubilanir, og kostnaðarsamar endurhönnun, stöðva verkefnið þitt á meðan þú leitar að lausn.

The spring rate is calculated using a formula that considers the material's shear modulus (G), wire diameter[^1] (d), meðalþvermál spólu[^2] (D), og fjölda virkra spóla (Nú þegar). These physical properties directly determine the spring's stiffness.

I've seen countless projects get delayed simply because the spring rate was an afterthought. Verkfræðingur mun hanna heila samsetningu og reyna síðan að finna gorma sem passar, aðeins til að uppgötva að enginn hefur rétta hlutfallið. Á LINSPRING, við byrjum alltaf með tilskildum krafti. Með því að reikna út nauðsynlegar vorgengi[^3] fyrst, við getum hannað gorm sem skilar nákvæmlega þeirri afköstum sem þarf, sparar viðskiptavinum okkar tíma, peningar, og mikil gremja. Let's look at how this calculation is done.

Hver er aðalformúlan til að reikna út vortíðni?

Þú sérð vorgengi[^3] formúlu, og það lítur ógnvekjandi út. You're worried that if you misinterpret just one of the variables, allur útreikningur þinn verður rangur, sem leiðir til sóunar á frumgerðum.

Aðal formúlan er: *k = (G d⁴) / (8 D³ Nú þegar)**. Það gæti virst flókið, but it's just a combination of the spring's material (G), vírinn hennar (d), rúmfræði þess (D), og fjölda spóla þess (Nú þegar).

Ég segi oft nýjum verkfræðingum í teyminu mínu að vera ekki hræddur við þessa formúlu. Hugsaðu um það eins og uppskrift. Hráefnin eru efnið þitt, vír, og spólumál. Formúlan er sett af leiðbeiningum sem segja þér hvernig þessi innihaldsefni munu sameinast til að framleiða endanlegt „bragð," which is your spring's stiffness. The most important thing I've learned is how powerful the wire diameter[^1] (d) er. Because it's raised to the fourth power, jafnvel örlítil breyting á vírstærð mun hafa gríðarleg áhrif á lokafjaðrið. It's the most critical ingredient in the entire recipe.

Að skilja hverja breytu í formúlunni

Hver hluti formúlunnar táknar sérstaka eðliseiginleika vorsins. Nauðsynlegt er að fá hvern og einn rétt fyrir nákvæma niðurstöðu. Tveir áhrifamestu þættirnir eru þvermál vír og meðalþvermál spólu.

• Stífleikastuðull (G): Þetta er eiginleiki efnisins sjálfs, táknar viðnám þess gegn snúningi. Fyrir stál, it's around 11.5 milljón psi.
• Þvermál vír (d): Þykkt gormvírsins. Þetta hefur mest áhrif á gengi.
• Meðalþvermál spólu (D): Meðalþvermál spólanna, reiknað sem ytra þvermál að frádregnum einum vírþvermáli.
• Virkir vafningar (Nú þegar): Fjöldi spóla í líkama gormsins sem er frjálst að teygja.

Hvernig ákveður þú fjölda virkra spóla rétt?

Þú taldir heildarfjölda spóla frá enda til enda. En þegar þú notar þá tölu í formúlunni, þitt útreiknað vorgengi[^3] doesn't match the test data.

Þetta eru algeng mistök. Fjöldi virkra spóla (Nú þegar) inniheldur aðeins spólurnar í meginhluta gormsins. The end hooks or loops are not considered active because they do not contribute to the spring's deflection.

Ég vann einu sinni með viðskiptavini sem var að hanna gorm fyrir útdraganlegan hundtaum. Þeir gerðu sína eigin útreikninga og sendu okkur teikningu. Vortíðin sem þeir tilgreindu var mikið, mun lægri en formúlan spáði fyrir hönnun þeirra. Ég hringdi í þá, og við gengum saman í gegnum útreikninginn. Í ljós kom að þeir höfðu innifalið spólurnar sem mynduðu endakrókana í þeim "virkir spólar[^5]" telja. Krókarnir eru til staðar til að flytja álagið, ekki að teygja. Einu sinni leiðréttum við þessa einu tölu, útreikningar okkar passa fullkomlega saman. Við gátum síðan aðlagað hönnunina til að gefa þeim slétt, blíður tog sem þeir vildu fyrir tauminn.

Body Coils vs. End Loops

Munurinn á virkum og óvirkum spólum byggist á virkni þeirra. Aðeins spólurnar sem hægt er að snúa við álagi eru taldar virkar.

• Body Coils: Þetta eru aðal spólurnar sem mynda lengd gormsins. Þegar þú togar í gorminn, þessar spólur snúast aðeins, sem er það sem skapar framlenginguna. Þess vegna, þeir eru allir virkir.
• Enda krókar/lykkjur: Þetta eru mynduð úr síðustu spólunni eða tveimur á hvorum enda. Hlutverk þeirra er að festa gorminn við samsetninguna þína. They transfer force but are not designed to flex or contribute to the spring's travel. Þeir eru taldir „dauðir" eða innvirkir spólar[^5]. Svo, fyrir venjulegan framlengingargorm, Na = fjöldi spóla í líkamanum.

Hvernig er hægt að reikna hlutfall út frá líkamlegu vori?

Þú átt vor, but you don't know its specifications. Þú þarft að finna hlutfall þess án þess að hafa hönnunarteikningarnar eða þekkja efnið, sem gerir það ómögulegt að nota formúluna.

Þú getur ákvarðað hlutfallið með tilraunum með einföldu tveggja punkta prófi. Mældu kraftinn sem þarf til að teygja gorminn í tvær mismunandi lengdir. The vorgengi[^3] er gildisbreytingin deilt með lengdarbreytingunni.

Þetta er eitthvað sem við gerum í gæða rannsóknarstofunni okkar á hverjum degi. It's the most practical and reliable way to verify a spring's rate. Ég átti viðskiptavin sem var að reyna að skipta um bilaðan gorm í gömlum landbúnaðarbúnaði. Upphaflegi framleiðandinn var hættur, og engar teikningar voru til. Hann sendi okkur vorbrotið. We couldn't use the design formula because we weren't 100% viss um efnið. Í staðinn, við setjum það á álagsprófara okkar. Við mældum álagið við einn tommu ferðalag og við tveggja tommu ferðalag. Með því að draga frá kraftana og lengdina, við reiknuðum út nákvæmlega gormahlutfallið. Þaðan, við gætum framleitt fullkomið skipti.

Tveggja punkta prófunaraðferðin

Þessi aðferð er einföld og krefst aðeins grunn mælitækja.

1. Mæla punktur 1: Teygðu gorminn í þekkta lengd (L1) og skráðu kraftinn (F1).
2. Mæla punktur 2: Teygðu gorminn lengra í aðra þekkta lengd (L2) og skráðu kraftinn (F2).
3. Reiknaðu hlutfallið (k): Notaðu formúluna: k = (F2 - F1) / (L2 - L1).

Til dæmis, ef gormur sýnir álag á 20 lbs kl 4 tommur og 30 lbs kl 6 tommur:

• Breyting á gildi = 30 lbs - 20 lbs = 10 lbs
• Breyting á lengd = 6 tommur - 4 tommur = 2 tommur
• Vorgengi (k) = 10 lbs / 2 tommur = 5 lbs/tommu

Niðurstaða

You can calculate an extension spring's rate theoretically using its physical dimensions and material, eða nánast með því að prófa það. Báðar aðferðirnar eru nauðsynlegar fyrir nákvæma vorhönnun og sannprófun.

[^1]: Lærðu hvernig þvermál vír hefur veruleg áhrif á stífleika gorma og heildarvirkni.
[^2]: Uppgötvaðu mikilvægi meðalþvermáls spólu til að ákvarða gormaeiginleika og afköst.
[^3]: Skilningur á gormafjöðrunarformúlunni er lykilatriði til að hanna árangursríka gorma sem uppfylla sérstakar frammistöðukröfur.
[^4]: Fáðu innsýn í Modulus of Rigidity og hlutverk hans í efnisvali fyrir gorma.
[^5]: Skilningur á virkum spólum er nauðsynlegur fyrir nákvæma útreikninga og skilvirka gormahönnun.