How Do You Calculate an Extension Spring's Rate?

You've chosen a spring, but it's too stiff or too weak. Este jogo de adivinhação leva a um desempenho ruim, falhas do produto, e redesenhos caros, paralisando seu projeto enquanto você procura uma solução.

The spring rate is calculated using a formula that considers the material's shear modulus (G), diâmetro do fio[^1] (d), diâmetro médio da bobina[^2] (D), and the number of active coils (Já). These physical properties directly determine the spring's stiffness.

I've seen countless projects get delayed simply because the spring rate was an afterthought. Um engenheiro projetará uma montagem inteira e então tentará encontrar uma mola original que se encaixe, apenas para descobrir que nenhum tem a taxa certa. Na LINSPRING, sempre começamos com a força necessária. Calculando o necessário taxa de primavera[^3] primeiro, podemos projetar uma mola que ofereça o desempenho exato necessário, economizando o tempo dos nossos clientes, dinheiro, e muita frustração. Let's look at how this calculation is done.

Qual é a fórmula principal para calcular a taxa de primavera?

Você vê o taxa de primavera[^3] fórmula, e parece intimidante. You're worried that if you misinterpret just one of the variables, todo o seu cálculo estará errado, levando a protótipos desperdiçados.

A fórmula primária é: *k = (G d⁴) / (8 D³ Já)**. Pode parecer complexo, but it's just a combination of the spring's material (G), seu fio (d), sua geometria (D), e seu número de bobinas (Já).

Costumo dizer aos novos engenheiros da minha equipe para não se assustarem com esta fórmula. Pense nisso como uma receita. Os ingredientes são o seu material, arame, e dimensões da bobina. A fórmula é o conjunto de instruções que informa como esses ingredientes serão combinados para produzir o "sabor" final.," which is your spring's stiffness. The most important thing I've learned is how powerful the diâmetro do fio[^1] (d) é. Because it's raised to the fourth power, mesmo uma pequena mudança no tamanho do fio terá um impacto enorme na taxa final da mola. It's the most critical ingredient in the entire recipe.

Compreendendo cada variável na fórmula

Cada parte da fórmula representa uma característica física distinta da mola. Acertar cada um deles é essencial para um resultado preciso. Os dois fatores mais influentes são o diâmetro do fio e o diâmetro médio da bobina.

• Módulo de Rigidez (G): Esta é uma propriedade do próprio material, representando sua resistência à torção. Para aço, it's around 11.5 milhões de psi.
• Diâmetro do fio (d): A espessura do fio da mola. Isto tem o maior efeito na taxa.
• Diâmetro médio da bobina (D): O diâmetro médio das bobinas, calculado como o diâmetro externo menos um diâmetro do fio.
• Bobinas Ativas (Já): O número de espirais no corpo da mola que estão livres para esticar.

Como você determina corretamente o número de bobinas ativas?

Você contou o número total de bobinas de ponta a ponta. Mas quando você usa esse número na fórmula, seu cálculo taxa de primavera[^3] doesn't match the test data.

Este é um erro comum. O número de bobinas ativas (Já) inclui apenas as bobinas no corpo principal da mola. The end hooks or loops are not considered active because they do not contribute to the spring's deflection.

Certa vez, trabalhei com um cliente que estava projetando uma mola para uma coleira retrátil para cachorro.. Eles fizeram seus próprios cálculos e nos enviaram um desenho. A taxa de primavera que eles especificaram foi muito, muito menor do que o previsto pela fórmula para seu design. Eu liguei para eles, e fizemos o cálculo juntos. Acontece que eles incluíram as bobinas que formavam os ganchos finais em seus "bobinas ativas[^5]" contar. Os ganchos existem para transferir a carga, não esticar. Depois que corrigimos esse número, nossos cálculos combinaram perfeitamente. Pudemos então ajustar o design para dar-lhes uma aparência suave, puxão suave que eles queriam para a coleira.

Bobinas Corporais vs.. Loops finais

A distinção entre bobinas ativas e inativas é baseada em sua função. Somente as bobinas que estão livres para torcer sob carga são consideradas ativas.

• Bobinas Corporais: Estas são as bobinas primárias que formam o comprimento da mola. Quando você puxa a mola, essas bobinas se desenrolam ligeiramente, que é o que cria a extensão. Portanto, eles estão todos ativos.
• Ganchos/laços finais: Estes são formados a partir da última bobina ou duas em cada extremidade. O trabalho deles é prender a mola à sua montagem. They transfer force but are not designed to flex or contribute to the spring's travel. Eles são considerados "mortos" ou embobinas ativas[^5]. Então, para uma mola de extensão padrão, Na = o número de bobinas no corpo.

Como você pode calcular a taxa de uma mola física?

Você tem uma primavera, but you don't know its specifications. Você precisa encontrar sua taxa sem ter os desenhos do projeto ou conhecer o material, impossibilitando o uso da fórmula.

Você pode determinar a taxa experimentalmente com um teste simples de dois pontos. Meça a força necessária para esticar a mola em dois comprimentos diferentes. O taxa de primavera[^3] é a mudança na força dividida pela mudança no comprimento.

Isso é algo que fazemos em nosso laboratório de qualidade todos os dias. It's the most practical and reliable way to verify a spring's rate. Tive um cliente que estava tentando substituir uma mola quebrada em um equipamento agrícola antigo. O fabricante original estava fora do mercado, e não havia desenhos. Ele nos enviou a primavera quebrada. We couldn't use the design formula because we weren't 100% certeza do material. Em vez de, colocamos em nosso testador de carga. Medimos a carga em uma polegada de deslocamento e em duas polegadas de deslocamento. Subtraindo as forças e comprimentos, calculamos a taxa exata da primavera. De lá, poderíamos fabricar um substituto perfeito.

O método de teste de dois pontos

Este método é simples e requer apenas ferramentas básicas de medição.

1. Medir Ponto 1: Estique a mola até um comprimento conhecido (L1) e registre a força (F1).
2. Medir Ponto 2: Estique a mola ainda mais até um segundo comprimento conhecido (L2) e registre a força (F2).
3. Calcule a taxa (k): Use a fórmula: k = (F2 - F1) / (L2 - L1).

Por exemplo, se uma mola mostrar uma carga de 20 libras em 4 polegadas e 30 libras em 6 polegadas:

• Mudança na Força = 30 libras - 20 libras = 10 libras
• Mudança no comprimento = 6 polegadas - 4 polegadas = 2 polegadas
• Taxa de primavera (k) = 10 libras / 2 polegadas = 5 libras/polegada

Conclusão

You can calculate an extension spring's rate theoretically using its physical dimensions and material, ou praticamente testando-o. Ambos os métodos são essenciais para o projeto e verificação precisos da mola.

[^1]: Saiba como o diâmetro do fio influencia significativamente a rigidez da mola e a funcionalidade geral.
[^2]: Descubra a importância do diâmetro médio da bobina na determinação das características e desempenho da mola.
[^3]: Compreender a fórmula da taxa de mola é crucial para projetar molas eficazes que atendam aos requisitos específicos de desempenho.
[^4]: Obtenha insights sobre o Módulo de Rigidez e seu papel na seleção de materiais para molas.
[^5]: Compreender as bobinas ativas é essencial para cálculos precisos e um projeto de mola eficaz.