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

Jūsu atgriešanās mehānisms jūtas vājš, un atsperes turpina nedarboties. Tas rada dārgas garantijas prasības, produktu pārprojektēšana, un sabojāta jūsu zīmola reputācija.

Nekļūdīgs dizains koncentrējas uz trim lietām: norādot pareizo sākotnējo spriegumu pareizai "sajūtai," izstrādājot izturīgus āķus, kas pareizi pārvalda stresu, un izvēloties slodzei un videi piemērotu materiālu. Šo trīs elementu pareiza ievērošana ir uzticamības atslēga.

I've been manufacturing custom springs for over 14 gadiem, and the most common failure I see in extension springs isn't in the spring's body—it's in the design process itself. Reiz inženieris man atsūtīja atsperes rasējumu, ko izmantot kādā medicīniskās diagnostikas iekārtā. Mehānisms bija smalks, taču viņu norādītajam pavasarim bija milzīgs sākotnējais spriegums. Kad viņi ieguva prototipus, the machine's small motor couldn't even begin to stretch the spring. Projekts aizkavējās nedēļām ilgi. Viņi bija koncentrējušies tikai uz pēdējo spēku, pilnībā ignorējot spēku, kas vajadzīgs tikai pavasara iedarbināšanai. Tāpēc detaļu izpratne ir tik svarīga.

Kas ir sākotnējā spriedze un kāpēc tas ir tik svarīgi??

Jūsu pavasarim sākumā nav spēka, or it's too hard to start pulling. Tādējādi jūsu produkts nereaģē, lēti, un galalietotājam ir grūti darboties.

Sākotnējais spriegums ir iebūvēts spēks, izveidots, pagriežot vadu, kad atspere tiek uztīta. Tas cieši notur spoles kopā un ir jāpārvar, pirms atspere sāk stiepties. Pareiza šī spēka norādīšana ir būtiska, lai izstrādājums darbotos kā paredzēts.

Think of it as the spring's "preload." Tas ir slēptais spēks, kas pagarinājuma atsperei piešķir unikālu sajūtu. Es strādāju pie projekta automobiļu klientam, kurš izstrādāja jaunu viduskonsoles aizbīdni. Pirmajā prototipā tika izmantota atspere gandrīz bez sākotnējās spriedzes. Aizbīdnis jutās vaļīgs un grabēja. Par otro prototipu, mēs palielinājām sākotnējo spriedzi. Tagad fiksators bija stingri noturēts vietā, un tas sniedza gandarījumu, augstas kvalitātes "snap" kad tas atvērās un aizvērās. We didn't change the spring rate or the final force, tikai sākotnējā spriedze. 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.

Kā tiek kontrolēts un norādīts sākotnējais spriegums

Šis spēks nav nejaušība; tas ir būtisks ražošanas parametrs.

• Uztīšanas process: Ražošanas procesā mēs radām sākotnējo spriegumu. Tā kā atsperes stieple tiek uztīta uz lapenes, mēs pieliekam tam kontrolētu vērpes spriegumu. Šis spriegums liek gatavajām spolēm piespiesties vienai pret otru. Mūsu pielietotais spriedzes apjoms tieši kontrolē sākotnējās spriedzes apjomu.
• Why It's Important for Design: Sākotnējais spriegums nosaka slodzi, pie kuras atspere sāk izstiepties. Ja jums ir nepieciešams mehānisms, lai paliktu aizvērts, līdz tiek pielikts īpašs spēks (piemēram, aizbīdni vai akumulatora durvis), sākotnējā spriedze ir tas, kas to aiztur. Tas nodrošina, ka sistēmā nav vaļīguma vai brīvības, kad atspere ir miera stāvoklī.
• Ierobežojumi: Atsperei var būt sākotnējais spriegums, kuras pamatā ir stieples diametrs un spoles indekss. Mēģinot norādīt pārāk lielu sākotnējo spriegojumu, atspere var būt trausla un pakļauta neveiksmei.

Kāpēc āķi ir visizplatītākais neveiksmju punkts??

Jūsu pavasara ķermenis ir kārtībā, bet āķi turpina lūzt vai deformēties. Šī vienīgā vājā vieta izraisa visa jūsu produkta neveiksmi laukā, noved pie dārgas atdeves.

Āķis ir vieta, kur viss vilkšanas spēks ir koncentrēts mazā, augsta stresa zona. Liekums no atsperes korpusa līdz āķim rada sprieguma paaugstinājumu. Bez atbilstoša dizaina un stresa mazināšanas, šis punkts neizdosies no metāla noguruma ilgi pirms atsperes spoles.

Reiz man bija klients, kurš izstrādāja jaunu trenažieri. Viņu prototipi neizdevās jau pēc dažiem simtiem ciklu — to pagarinājuma atsperu āķi nosprāga.. Viņi izmantoja standarta mašīnas āķi, kam ir straujš līkums un ievērojams sprieguma punkts. Es paskatījos uz viņu pieteikumu un redzēju, ka atspere arī piedzīvo zināmu griešanās kustību. Es ieteicu viņiem pārslēgties uz krosovera āķi. Šis dizains nogādā vadu atsperes centrā, kas daudz vienmērīgāk sadala spriedzi un labāk tiek galā ar sagriešanos. Mēs izgatavojām jaunu prototipu komplektu ar krosovera āķiem, un viņi izturēja 100 000 ciklu testu bez neveiksmēm. It's a classic case where a small change in hook geometry made all the difference.

Izvēloties āķi, kas izdzīvos

Pavasara beigas ir svarīgākas par vidu.

• Izpratne par stresa izraisītājiem: Iedomājieties, ka spēks plūst kā ūdens caur atsperes stiepli. Straujš stieples līkums ir kā ass akmens upē — tas rada turbulenci un augstu spiedienu. Metālā, šis "spiediens" sauc par stresu. Laika gaitā, atkārtoti stresa cikli izraisīs mikroskopisku plaisu veidošanos šajā vietā, kas galu galā noved pie neveiksmes.
• Āķa dizaina nozīme: Dažādi āķu modeļi šo stresu pārvalda dažādos veidos. Pilna cilpa ir spēcīgākā, jo tai nav asu līkumu un spriegums plūst vienmērīgi. Mašīnas āķis ir visizplatītākais, bet arī vājākais. Krosovera āķis ir labs kompromiss, piedāvā labāku izturību nekā mašīnas āķis.
• Stresa mazināšanai ir izšķiroša nozīme: Pēc tam, kad atspere ir uztīta un tiek izveidoti āķi, tas ir termiski jāapstrādā. Šis process, sauc par stresa mazināšanu, atslābina iekšējos spriegumus stieplē, kas radās ražošanas laikā. Šīs darbības izlaišana vai nepareiza izpilde garantē priekšlaicīgu āķa atteici.

Which Material Is Right for Your Spring's Environment?

Jūsu pavasaris laboratorijā darbojas lieliski, but it's rusting or breaking in the real world. No nepareiza materiāla izgatavota atspere nedarbosies, ja tiks pakļauta mitrumam, augstas temperatūras, vai kodīgas ķīmiskas vielas.

The material choice must match the spring's operating environment. Mūzikas vads ir spēcīgs un par pieņemamu cenu, taču tas viegli rūsē. Nerūsējošais tērauds nodrošina izcilu izturību pret koroziju. Ekstrēmiem apstākļiem, specializēti sakausējumi var būt vienīgā iespēja.

Lielisks piemērs tam bija pavasaris, ko izstrādājām uzņēmumam, kas ražo aprīkojumu sālsūdens zvejas laivām. Viņu oriģinālajā dizainā fiksatora mehānismam tika izmantota cinkota mūzikas stieples atspere. Tas izskatījās lieliski no kastes, bet jau pēc dažām nedēļām okeānā, cinkotais pārklājums nolietotos un atsperes sarūsētu un salūztu. Sāls izsmidzināšanas vide bija pārāk skarba. Risinājums bija vienkāršs: mēs pārtaisījām tieši tādu pašu atsperi, izmantojot 302 nerūsējošais tērauds. Tas bija nedaudz dārgāks, bet tas pilnībā atrisināja korozijas problēmu. Mācība ir tāda, ka atsperes mehāniskā konstrukcija ir tikai puse no kaujas; materiālzinātne ir otra puse.

Rokasgrāmata par parastajiem atsperu stiepļu materiāliem

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

• Mūzikas vads (ASTM A228): Tas ir pavasara nozares darba zirgs. It's a high-carbon steel that is very strong, ir lielisks noguruma mūžs, un ir salīdzinoši lēti. Tās galvenais trūkums ir tas, ka tai gandrīz nav izturības pret koroziju. Tam jābūt aizsargātam ar pārklājumu, piemēram, cinkotu pārklājumu vai eļļu.
• Nerūsējošais tērauds 302/304 (ASTM A313): Šis ir visizplatītākais nerūsējošais tērauds atsperēm. Tam ir laba izturība un lieliska izturība pret koroziju, padarot to ideāli piemērotu medicīnas ierīcēm, pārtikas pārstrāde, un āra lietojumiem. It's more expensive than music wire.
• Nerūsējošais tērauds 17-7 PH (ASTM A313): Tas ir augstas veiktspējas līdzeklis, nokrišņos rūdošs nerūsējošais tērauds. Pēc termiskās apstrādes, tas var sasniegt stiprības līmeni, kas ir salīdzināms ar mūzikas vadu, vienlaikus ar izcilu izturību pret koroziju un veiktspēju augstās temperatūrās. To izmanto kosmosa un augstas veiktspējas rūpnieciskos lietojumos.

Secinājums

Uzticamai pagarinājuma atsperei ir nepieciešams pareizs sākotnējais spriegojums, izturīgi āķi, un pareizais materiāls. Koncentrējieties uz šīm trim jomām savā dizainā, lai nodrošinātu ilgtermiņa veiktspēju un izvairītos no bieži sastopamām kļūmēm.