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

Seu mecanismo de retorno parece fraco, e as molas continuam falhando. Isso leva a reclamações de garantia dispendiosas, reformulações de produtos, e uma reputação prejudicada para sua marca.

Um design sem falhas concentra-se em três coisas: especificando a tensão inicial correta para a "sensação correta," projetando ganchos duráveis ​​que gerenciam o estresse de maneira adequada, e selecionando o material certo para a carga e o ambiente. Acertar esses três elementos é a chave para a confiabilidade.

I've been manufacturing custom springs for over 14 anos, and the most common failure I see in extension springs isn't in the spring's body—it's in the design process itself. Certa vez, um engenheiro me enviou o desenho de uma mola para ser usada em um equipamento de diagnóstico médico.. O mecanismo era delicado, mas a mola que eles especificaram tinha uma enorme tensão inicial. Quando eles obtiveram os protótipos, the machine's small motor couldn't even begin to stretch the spring. O projeto foi adiado por semanas. Eles se concentraram apenas na força final, ignorando completamente a força necessária apenas para iniciar a mola. É por isso que entender os detalhes é tão crítico.

O que é tensão inicial e por que isso é tão importante?

Sua mola não tem força no começo, or it's too hard to start pulling. Isso faz com que seu produto não responda, barato, e difícil para o usuário final operar.

A tensão inicial é uma força embutida, criado torcendo o fio enquanto a mola é enrolada. Ele mantém as bobinas firmemente unidas e deve ser superado antes que a mola comece a esticar. Especificar esta força corretamente é essencial para um produto que funcione conforme pretendido.

Think of it as the spring's "preload." É a força oculta que dá a uma mola extensível sua sensação única. Trabalhei em um projeto para um cliente automotivo que estava projetando uma nova trava para console central. O primeiro protótipo utilizou uma mola quase sem tensão inicial. A trava parecia solta e chacoalhada. Para o segundo protótipo, aumentamos a tensão inicial. A trava agora estava firmemente no lugar, e teve uma satisfação, "snap" de alta qualidade" quando abriu e fechou. We didn't change the spring rate or the final force, apenas a tensão inicial. 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.

Como a tensão inicial é controlada e especificada

This force is not an accident; é um parâmetro crítico de fabricação.

• O Processo de Enrolamento: Criamos tensão inicial durante o processo de fabricação. À medida que o fio da mola está sendo enrolado em um mandril, aplicamos uma tensão de torção controlada a ele. Essa tensão faz com que as bobinas acabadas pressionem umas contra as outras. A quantidade de tensão que aplicamos controla diretamente a quantidade de tensão inicial.
• Why It's Important for Design: A tensão inicial determina a carga na qual a mola começa a se estender. Se você precisar que um mecanismo permaneça fechado até que uma força específica seja aplicada (como uma trava ou uma porta de bateria), a tensão inicial é o que a mantém fechada. Garante que não haja folga ou folga no sistema quando a mola está em repouso.
• Os Limites: Há um limite para quanta tensão inicial uma mola pode ter, que se baseia no diâmetro do fio e no índice da bobina. Tentar especificar muita tensão inicial pode resultar em uma mola quebradiça e propensa a falhas.

Por que os ganchos são o ponto de falha mais comum?

O corpo da sua primavera está bem, mas os ganchos continuam quebrando ou deformando. Este único ponto fraco está fazendo com que todo o seu produto falhe em campo, levando a retornos caros.

O gancho é onde toda a força de tração é concentrada em um pequeno, área de alto estresse. A curvatura do corpo da mola até o gancho cria um aumento de tensão. Sem design adequado e alívio de estresse, este ponto falhará devido à fadiga do metal muito antes das bobinas da mola.

Certa vez, tive um cliente desenvolvendo um novo equipamento de exercício. Seus protótipos estavam falhando depois de apenas algumas centenas de ciclos – os ganchos das molas de extensão estavam quebrando. Eles estavam usando um gancho de máquina padrão, que tem uma curva acentuada e um ponto de tensão significativo. Eu olhei para a aplicação deles e vi que a mola também estava passando por algum movimento de torção. Eu recomendei que eles mudassem para um gancho cruzado. Este design traz o fio para o centro da mola, que distribui o estresse de maneira muito mais uniforme e lida melhor com a torção. Produzimos um novo conjunto de protótipos com ganchos cruzados, e eles passaram no teste de 100.000 ciclos sem falhas. It's a classic case where a small change in hook geometry made all the difference.

Escolhendo um gancho que sobreviverá

O final da primavera é mais importante que o meio.

• Compreendendo os que aumentam o estresse: Imagine a força fluindo como água através do fio da mola. Uma curva acentuada no fio é como uma pedra afiada em um rio – cria turbulência e alta pressão. Em metal, esta “pressão" é chamado de estresse. Ao longo do tempo, ciclos de tensão repetidos causarão a formação de uma rachadura microscópica naquele ponto, o que eventualmente leva ao fracasso.
• O design do gancho é importante: Diferentes designs de ganchos gerenciam esse estresse de maneiras diferentes. Um loop completo é o mais forte porque não tem curvas acentuadas e a tensão flui suavemente. Um gancho de máquina é o mais comum, mas também o mais fraco. Um gancho cruzado é um bom compromisso, oferecendo melhor resistência do que um gancho de máquina.
• O alívio do estresse é crucial: Depois que uma mola é enrolada e os ganchos são formados, deve ser tratado termicamente. Este processo, chamado de alívio do estresse, relaxa as tensões internas no fio que foram criadas durante a fabricação. Ignorar ou executar incorretamente esta etapa é uma garantia de falha prematura do gancho.

Which Material Is Right for Your Spring's Environment?

Sua mola funciona perfeitamente no laboratório, but it's rusting or breaking in the real world. Uma mola feita com o material errado irá falhar quando exposta à umidade, altas temperaturas, ou produtos químicos corrosivos.

The material choice must match the spring's operating environment. O fio musical é forte e acessível, mas enferruja facilmente. O aço inoxidável oferece excelente resistência à corrosão. Para condições extremas, ligas especializadas podem ser a única opção.

Um ótimo exemplo disso foi uma mola que projetamos para uma empresa que fabrica equipamentos para barcos de pesca de água salgada.. Seu projeto original usava uma mola de arame musical zincada como mecanismo de trava. Ficou ótimo fora da caixa, mas depois de apenas algumas semanas no oceano, o revestimento de zinco se desgastaria e as molas enferrujariam e quebrariam. O ambiente de névoa salina era muito severo. A solução foi simples: refizemos exatamente a mesma mola usando 302 aço inoxidável. Foi um pouco mais caro, mas resolveu completamente o problema da corrosão. A lição é que o projeto mecânico de uma mola é apenas metade da batalha; a ciência material é a outra metade.

Um guia para materiais comuns de fios de mola

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

• Fio de música (ASTM A228): Este é o carro-chefe da indústria da primavera. It's a high-carbon steel that is very strong, tem excelente vida à fadiga, e é relativamente barato. Seu principal ponto fraco é que quase não tem resistência à corrosão. Deve ser protegido com um revestimento como zinco ou óleo.
• Aço inoxidável 302/304 (ASTM A313): Este é o aço inoxidável mais comum para molas. Tem boa resistência e excelente resistência à corrosão, tornando-o perfeito para dispositivos médicos, processamento de alimentos, e aplicações externas. It's more expensive than music wire.
• Aço inoxidável 17-7 PH (ASTM A313): Este é um alto desempenho, aço inoxidável endurecível por precipitação. Após tratamento térmico, pode atingir níveis de resistência comparáveis ​​aos fios de música, ao mesmo tempo que possui excelente resistência à corrosão e desempenho em altas temperaturas. É usado em aplicações aeroespaciais e industriais de alto desempenho.

Conclusão

Uma mola de extensão confiável requer tensão inicial correta, ganchos duráveis, e o material certo. Concentre-se nessas três áreas em seu projeto para garantir o desempenho a longo prazo e evitar falhas comuns.