Beräkningar av fjäderdesign

Fjädrar är mekaniska komponenter som kan lagra och leverera spänningsenergi som genereras av det arbete som används för att spänna, förlänga eller komprimera fjädern i form av deformation eller spänningsenergi. De används i många applikationer och finns i små elektroniska komponenter samt i stora industriella maskiner. För att säkerställa att en fjäder utför sin funktion måste den vara korrekt utformad. För detta ändamål beräknas parametrar såsom fjäderkonstanten och fjäderrörelsen.

Typer av fjädrar

Det finns olika typer av fjädrar som skiljer sig i funktion och utseende.

Fjädrarna differentieras efter belastning och form. De vanligaste typerna är:

Du kan läsa mer om att välja spänningsfjädrar och kompressionsfjädrar - översikt / använd / tillämpningsexempel här.

Beräkna fjädrar

För att beräkna och utforma fjädrar bör parametrar som fjäderhastighet, fjäderkonstant och fjäderarbete fastställas eller kännas till i ett första steg. Fjäderkraften eller fjäderkonstanten kan exempelvis beräknas.

Preliminära överväganden för fjäderberäkning och vårutformning

Innan fjädern beräknas eller utformas bör flera viktiga krav och specifikationer fastställas, såsom:

• Lastkrav, t.ex. maximal last, lasttyp (kompression, spänning, vridning), frekvens och arbetscykel för lasttypen
• Driftsmiljö och driftsförhållanden, t.ex. temperatur, korrosionsrisk, luftfuktighet och grad av förorening
• Dämpning och vibrationsabsorption, t.ex. behov av dämpningselement
• Utrymmes- och installationsbegränsningar, t.ex. för fjäderns dimensioner, spiralgeometrins utformning och ändar

Kostnadseffektiv automatisering använder främst spänningsfjädrar och kompressionsfjädrar.

Parametrar för beräkning av fjädrar

Följande parametrar måste vara kända först innan kompressionsfjädrar, spänningsfjädrar osv. beräknas:

För en spänningsfjäder som exempel

• Vilken kraft (F) kommer att utövas på våren? Vilken fri längd (L₀) och fjäderrörelse (X) finns tillgänglig?
• Ska fjädern vara utrustad med spännöglor eller krävs ytterligare spännöglor? Och vilken effekt har ytterligare spännöglor på längden?
• Spelar fjäderns innerdiameter (D) och/eller en tråddiameter (d) en roll?
• Spelar fjäderns dödvikt en roll i applikationen och vilket utrymme som finns tillgängligt för eventuellt nödvändigt byte av fjädern
• Måste klackarna arrangeras i samma riktning eller roteras 90°?

Beräkning av fjäderkraften med hjälp av fjäderkraftformeln

Fjäderkraften, även kallad klämkraft, är den kraft som genereras av en fjäder när den sträcks eller komprimeras, baserat på dess styvhet eller fjäderkonstant. Denna kraft syftar till att återställa fjädern till sin ursprungliga form eller position. Beräkningen utförs vanligtvis med hjälp av fjäderkraftformeln, även kallad Hookes lag. Hookes lag beskriver det linjära förhållandet mellan kraften (F) som utövas på en elastisk kropp och den resulterande förlängningen eller kompressionen (Δx) av den kroppen i materialets elastiska område:

Där:

• F = Fjäderkraft, mätt i Newton (N)
• k = Fjäderkonstant, fjäderns styvhet, i enheter som N/m (Newton per meter)
• Δx = fjäderrörelse, fjäderns förlängning (för spänningsfjädrar) eller kompression (för kompressionsfjädrar), mätt i meter (m).

Vad är den initiella spänningen av en spänningsfjäder?

Initial spänning (P_i), ibland även kallad monteringsförspänning, definieras som spänningen (kraften i N) som krävs för att få fjädern att uppvisa en längdförändring genom deformation.   

Fjäderkonstanten och fjäderrörelsen (förlängning eller kompression) kan båda läsas från tekniska specifikationer och tillverkardata eller beräknas enligt följande.

Beräkna fjäderkonstanten med hjälp av fjäderkraftformeln

Fjäderkonstanten, ofta kallad fjäderhastighet, är en av de grundläggande parametrarna för en fjäder. Den anger hur mycket kraft som krävs för att deformera fjädern ett visst avstånd.

Ju större fjäderkonstant, desto styvare fjäder. En stor fjäderkonstant innebär att en relativt hög kraft behövs för att deformera fjädern, medan fjädrar med en liten fjäderkonstant lättare deformeras.

Beräkning av den totala fjäderkonstanten för flera fjädrar

I själva verket är bara en fjäder sällan installerad. Istället installeras flera fjädrar vanligtvis i följd eller bredvid varandra. Hur beräknas fjäderkonstanten i dessa fall? Den totala fjäderkonstanten måste alltid bestämmas.

Om flera fjädrar är seriekopplade (in-line-konfiguration) beräknas den totala fjäderkonstanten enligt följande:

Om flera fjädrar monteras sida vid sida (parallell konfiguration) beräknas den totala fjäderkonstanten enligt följande:

Säkerhetsaspekter

För att förhindra fjäderfel ska fjädern inte lastas över dess märkspänning. Den nominella spänningen beror på materialet i fjädern. Till exempel för fjäderstål varierar märkspänningen från 550 MPa (megapascal) till 800 MPa, beroende på legering och härdning. För fjädrar av rostfritt stål är märkspänningen mellan 500 MPa och 700 MPa.

Livslängd och trötthet

En fjäder kan bli utmattad över tiden, särskilt om den ofta laddas och lindras. Därför är det viktigt att överväga fjäderns livslängd under lastförhållandena.

Rekommendationer för MISUMI-fjädrar

MISUMI erbjuder ett brett utbud av fjädrar, såsom spänningsfjädrar och runda spiralfjädrar. Spolfjädrar är utformade för att hålla maximal belastning konstant vid samma diameter. Vi rekommenderar att fjädrarna används inom den tillåtna nedböjningen för att säkerställa funktionalitet och form och för att uppnå förväntad livslängd. Fjädrar rekommenderas vid normala omgivningstemperaturer (40 °C eller lägre). Lastvärdena sjunker över 40 °C. Detta temperaturintervall antas också för MISUMI runda spiralfjädrar.