Крошечный мир пружин: комплексный анализ их типов и приложений

Пружины являются чрезвычайно важным и распространенным компонентом в механических частях, превосходя в обеспечении движения, амортизации, обеспечении контролируемой толкающей силы, тягового усилия и гибких возможностей зазора. Проще говоря, мы можем найти и использовать пружинные приложения в каждом аспекте нашей жизни. Например: амортизация в автомобилях и поездах, различных регулирующих клапанах, дверных замках, механических часах, часах и т. Д.

Хотя пружины широко используются и широко применяются во многих механических конструкциях, их важность часто упускается из виду при ежедневном выборе, проектировании, производстве и сборке. В данной статье будут представлены принципы и формулы расчета пружин, а также преимущества и недостатки различных классификаций и материалов. Позвольте нашему опыту расширить вашу работу. Richconn имеет профессиональное оборудование и опытных инженеров, которые могут предоставить услуги пружинного производства за пределами ЧПУ, изготовления пресс-форм, обработки листового металла и 3D-печати.

1. Принцип пружины

Общая весенняя сводная таблица

Давайте начнем с некоторых основ о пружинах. Пружина-это структура, которая накапливает энергию при применении внешней силы (от нагрузки) и высвобождает энергию при удалении внешней силы. В нормальных условиях, независимо от того, какой тип пружины используется в продукте, пружина вернется к своей первоначальной форме после снятия нагрузки. Если он не может вернуться в исходное состояние, это доказывает, что эта пружина неисправна и ее необходимо заменить новым устройством.

«Закон ГукаЭто основной закон, регулирующий проектирование, изготовление и использование пружин. Он применяется в любой среде, где используются пружины. Ниже мы кратко представим соответствующие принципы проектирования и производства, среды применения и т. Д.

2. Общие расчетные формулы для пружин

Прежде чем мы обсудим различные типы пружин, давайте кратко опишем некоторые общие формулы расчета конструкции пружин, чтобы наши инженеры-конструкторы могли быстро усвоить соответствующие знания. Это также сделает его удобным для соответствующего персонала, чтобы проверить и проверить основы о пружинах. Ниже приведены формулы расчета, полученные из закона Гука:

1. Скорость пружины сжатия:

К = (Г * д ^ 4) / (8 * Н * Д ^ 3)

Где:

G-модуль сдвига пружинного материала

D-диаметр проволоки пружины

N-эффективное число витков пружины

D-средний диаметр пружины

2. Скорость пружины растяжения:

К = Ф/δ

Где:

K = Скорость пружины (Н/м)

F = приложенное усилие (Н)

Δ = отклонение или удлинение пружины (м)

К = (Г * д ^ 4) / (8 * Н * Д ^ 3)

Где:

G-модуль сдвига пружинного материала

D-диаметр проволоки пружины

N-количество активных катушек в пружине.

D-средний диаметр пружины

3. Скорость пружины кручения:

К = Т/θ

Где:

K = скорость пружины (Н * м/рад)

T = приложенный крутящий момент (Н * м)

Θ = угол поворота (радианы)

К = Г * д ^ 4 / (8 * Н * Д ^ 3)

Где:

G-модуль сдвига пружинного материала

D-диаметр проволоки пружины

N-количество активных катушек в пружине.

D-средний диаметр пружины

4. Потенциальная энергия пружины:

Потенциальная энергия (U) = (F ^ 2 * l) / (2 * K)

Где F-приложенная сила, l-расстояние отклонения, а K-скорость пружины.

5. Собственные частоты пружины:

Частота собственных частот (f) = (1 / 2π) * √ (К/м)

Где K-скорость пружины, а m-масса пружины.

6. Максимальное напряжение весной:

Максимальное напряжение (σ) = (8 * F * r) / (π * d ^ 3)

Где F-приложенная сила, r-средний радиус пружины, d-диаметр проволоки.

7. Естественная длина пружины:

Натуральная длина (L0) = количество активных катушек (n) * диаметр проволоки (d)

8. Твердая высота пружины:

Сплошная высота (H) = Начальная длина (L0) -Сжатое или увеличенное расстояние

Эти формулы расчета могут помочь инженерамОсновные расчеты и сметы при проектировании пружин. В реальных применениях, другие факторы также необходимо всесторонне рассматривать для обеспечения конструированной весны соотвествует.

3. Классификация пружин

Материал, форма, функция и т. Д. Пружин определяются в соответствии с различными средами применения с очень широким спектром применений. В общем, существует четыре основные категории источников, каждая из которых имеет разные подкатегории. Давайте представим их по одному.

1. Первая категория: классификация по способу действия

Спиральные пружины являются наиболее распространенным типом пружины, используемой в производстве продукции. Они могут быть сформированы в спиральную форму с проволокой различных форм поперечного сечения (отсюда и название). Ниже представлены типы пружин в первой категории.

Пружины сжатия

• Пружины сжатия катушки: Самая общая форма весны, сформированная катушка.

• Конические пружины: пружинная проволока имеет коническую форму.

• Вложенные спиральные пружины: несколько спиральных пружин, сложенных вместе.

• Дисковые пружины: несколько дисковых шайб, сложенных вместе.

Пружины сжатия представляют собой винтовые пружины с открытым спиралью с постоянным диаметром катушки и переменным шагом. Они сопротивляются осевому сжатию.

Самый простой пример их применения-шариковые ручки, где они генерируют эффект «всплывающего окна». Они также используются в клапанах, подвесах и т. Д.

Расширение пружины

• Спиральные удлинители: Спиральная пружина, растянутая силами на обоих концах.

• Листовые рессоры: Лист металла изогнутый растягивающими силами.

• Вложенные удлинительные пружины катушки: несколько вложенных пружин под натяжением.

В отличие от пружин сжатия, пружины растяжения являются спиральными пружинами с закрытой катушкой. Они используются для производства напряжения, хранения энергии и высвобождения энергии для восстановления пружины до ее первоначальной формы.

Простой пример их применения-в гаражных воротах. Другие применения включают тяги, струбцины, и веся машины.

Торсионные пружины

• Катушечные пружины кручения: витые пружины.

• Торсионные стержни: стержни скручены для деформации.

• Трубки крутящего момента: Трубка деформирована при скручивании.

Торсионные пружины соединяют две части на своих концах. Это удерживает две части разделенными под фиксированным углом. Эти пружины используются там, где сила действует радиально из-за вращения, создающего радиально направленное движение. Кроме того, возможности обработки с ЧПУ могут производить большой объем настроены двойной спирали торсионные пружины.

Гибочные пружины

• Листовые рессоры: Лист металла изогнутый изгибая силами.

• Спиральные пружины: Провод металла свернутый спиралью в спираль, согнутый изгибая силами.

Спиральные весны сделаны путем свертывать прямоугольную прокладку металла в плоскую спиральную форму. При активации он сохраняет разумное количество энергии и может выделять энергию с постоянной скоростью. Постоянный выпуск делает их подходящими для механических часов, игрушек, регуляторов спинки сиденья и т. Д.

2. Вторая категория: классификация по материалам

(1)Металлические пружины

Стальные пружины, пружины из титанового сплава, пружины из медного сплава, молибденовые и вольфрамовые пружины и т. Д.

(2) весны Не-металла

Пластиковые пружины, резиновые пружины, пружины из стекловолокна и т. Д.

3. Третья категория: классификация по форме

(1) Металл spriNGS

Стальные пружины, пружины из титанового сплава, пружины из медного сплава, молибденовые и вольфрамовые пружины и т. Д.

(2) весны Не-металла

Пластиковые пружины, резиновые пружины, пружины из стекловолокна и т. Д.

4. Четвертая категория: Классификация по применению

Автомобильные весны, весны замка, весны дозора, весны аппаратуры, етк.

Таким образом, пружины можно классифицировать по их способу действия, материалу, форме и применению. Широкий спектр типов пружин позволяет дизайнерам выбрать оптимальную пружину в соответствии с конкретными требованиями каждого приложения.

Листовые рессоры:

1. Прямые листовые рессоры

Простейшая форма листовой рессоры, выполненная из плоской металлической полосы. Может быть круглым, прямоугольным, многоугольным и т. Д.

2. Изогнутые листовые рессоры

Прямая листовая пружина с начальной кривой, чтобы вызвать предварительное напряжение. Обычными примерами являются спиральные листовые рессоры.

3. Рифленые весны лист

Лист прессуется/штампован в гофрированную форму для увеличения жесткости.

4. Листовые рессоры с крючками

Лист загибается в форму крючка и штабелируется для амортизации и позиционирования.

5. Листовые рессоры сота

Лист имеет сотовый рисунок, обеспечивающий радиальную и осевую жесткость для трехмерного позиционирования.

6. Дисковые листовые рессоры

Лист представляет собой круглый диск, использующий гибкий диск для поглощения ударов.

7. Составные рессоры лист

Две или более листовые рессоры сложены для увеличения жесткости, широко используются в автомобилях.

Таким образом, различные структурные формы листовой рессоры могут быть спроектированы и изготовлены на основе требований, чтобы служить различным функциям.

Дисковые пружины:

1. Однодисковая пружина

Простейшая форма с одним диском, использующим гибкий диск.

2. Двойная дисковая пружина.

Два параллельных диска, изгибающиеся относительно друг друга для большей жесткости.

3. пружина с несколькими дисками

Несколько дисков последовательно для формирования разной жесткости.

4. коническая дисковая пружина

Конические диски для обеспечения осевого прогрессивного усилия.

5. дисковая пружина ствола

Диски бочкообразной формы для повышенной жесткости на изгиб.

6. сферическая дисковая пружина

Сплющенные диски сформированы в сферическую форму для увеличения рабочей зоны.

7. Рифленая весна диска

Гофрировки или выступы на диске для увеличения общей жесткости.

8. Титановая дисковая пружина

Изготовлен из титанового сплава для высокой прочности и низкой плотности.

9. стекловолоконная дисковая пружина

Композитный стекловолоконный материал для повышения усталостной прочности.

10. Стальная проволочная дисковая пружина

Стальная проволока, намотанная вокруг края диска для увеличения грузоподъемности.

Таким образом, существует множество типов дисковых пружин, которые можно выбрать на основе фактических требований и подходящей конструкции дисковых пружин.

4. Материалы для изготовления пружин

Если вы хотите использовать пружины для производства продукции по требованию? Richconn предоставляет универсальное решение, от покупки необходимых пружин, изготовления деталей до сборки продуктов и доставки их вам в течение 3 дней в ближайшее время.

Попробуйте Richconn сейчас!

Вся информация и загрузки являются безопасными и конфиденциальными.

5.Materials for Manufacturing Springs

Unlike conventional assumptions, springs are not necessarily made of iron. Importantly, springs can be made from different materials. Therefore, the material type determines the properties, types and applications of springs. Below are common materials:

1. Metal Materials

• Steel: Most common material for coil springs, leaf springs using steel wire or strips. Carbon steel, stainless steel, steel alloys.

• Titanium Alloys: Features high strength and low density. Used in high-end fields.

• Copper Alloys: Good electrical and corrosion resistance. Used for conductive springs.

• Other Alloys: Such as molybdenum steel, tungsten steel and other special alloys.

2. Plastic Materials

• Engineering Plastics: Such as nylon, POM etc, can manufacture various non-metallic springs.

• Special Plastics: Such as PEEK high temp plastic for manufacturing high temp springs.

3.Rubber Materials

• Natural Rubber: For manufacturing rubber springs.

• Silicone Rubber: Heat resistance for high temp environments.

4. Composite Materials

• Fiberglass: High strength composite material.

• Other Composites: Such as carbon fiber reinforced plastics.

5.Ceramic Materials

Ceramics have high hardness, elastic modulus, and good corrosion resistance, which can manufacture springs with excellent performance.

Common ceramic spring materials include:

• Silicon Nitride Ceramics: Extremely high elastic modulus, the preferred material for ceramic springs.

• Zirconia Ceramics: Corrosion and oxidation resistance, can work in high temp environments.

• Aluminum Nitride Ceramics: Low density and high hardness, can design lightweight ceramic springs.

• Composite Ceramics: Made from multiple ceramics, combining various advantages.

Compared to metal springs, ceramic springs have higher elastic modulus and can provide greater energy storage density. Ceramic springs demonstrate excellent stability in high temp and corrosive environments. However, they are more difficult to manufacture and not yet widely applied. In the future, with manufacturing process improvements, ceramic springs will play a greater role in special environments. 

6.Application of spring

6.1 Compression Springs

(1) Automotive suspension

Coil compression springs provide shock absorption and ride smoothness

(2) Door locks

Conical springs provide restoring force for lock latch resetting

(3) Watch mainsprings : Coil compression springs provide power for watch movement

(4) Measuring instruments : 

Coil springs used as pointer return springs in gauges

(5) Electrical switches :

Leaf springs provide contact pressure in switches

6.2 Extension Springs

(1) Automotive hoods :

Hood gas springs provide assist force for lifting hood

(2) Furniture drawers :

Coil extension springs control opening and closing speed of drawers

(3) Doors and windows :Corrugated leaf springs provide smooth operation for car door windows

6.3 Torsion Springs

(1) Engine cams :

Torsion springs provide return torque for engine camshafts

(2) Instrument pointers :

Torsion springs provide return torque for pointer resetting

(3) Door lock latches:

Torsion bars provide self-resetting torque after lock rotation

6.4 Bending Springs

(1) Watch mainsprings - Metal strip mainsprings provide power for watch movement

(2) Switches - Leaf springs flex on press for circuit switching

(3) Gauges - Bending leaf springs used as sensing elements inside instruments

7.Advantages and Disadvantages of Springs

Springs are a basic component in many widely used products. As such, they have some nice advantages but also some drawbacks. Let's look at the pros and cons of springs in turn.

1.Advantages of springs

Good elasticity: Springs have good elastic deformation ability. They can undergo large deflection during loading and unloading and recover their original shapes afterwards. This elasticity enables them to play the roles of cushioning, energy storage, force exertion, etc.

• High load capacity: Under relatively small volume and mass conditions, springs can withstand and store high loads and energy, thanks to the high strength of the materials.

• Good damping properties: Internal friction of spring materials consumes some vibration energy, giving springs good damping characteristics for vibration reduction.

• Quick response: The response and recovery of springs to loads are fast, allowing them to be used to quickly and precisely control motion.

• Long service life: Choosing suitable materials for springs and controlling strain, they can withstand millions of cycles of loads and agility, giving them a long service life.

• Small size: For a given load, the volume and mass of a spring are very small, which is a big advantage for many applications.

•  Low cost: Most springs are inexpensive to manufacture and their raw materials are not expensive either, making them a high cost-performance basic component.

2.  Disadvantages of springs

• Energy loss during use: Frictional losses inside spring materials during compression and recovery dissipate some energy.

• Delayed recovery: It takes some time for springs to recover their original shapes after unloading, instead of instantaneous recovery, causing a delay effect.

• Fatigue issues: Long-term repeated loading and elastic deformation can cause fatigue and slack in springs, affecting service life.

• High temperature sensitivity: The elastic modulus of springs is quite sensitive to temperature changes, which affects their elastic performance.

• Precise control required for manufacturing: High-precision springs require strict control of manufacturing techniques and parameters, increasing production costs.

• Take up space: For some applications, the volume of springs is still relatively large, taking up considerable space.

• Resonance issues: Under certain frequency loading conditions, resonance can occur, generating large vibrations and noise.

• Vulnerable to torsion: Springs do not resist torsional loads very well, and torsion can damage their structures.

In summary, properly choosing spring types and controlling usage conditions can maximize the advantages of springs and avoid their disadvantages.

3.Conclusion

Springs are an important component of any motion products. When compressed and expanded, they can store and release energy. Choosing the right spring requires understanding the types of springs in use today. Each spring has its own characteristics and properties, depending on the type of material used, design and manufacturing process. Therefore, when selecting springs for your product, it's best to consider the above factors.

Richconn Custom Prototyping Services

Do you have a product and worry about making it fully functional? Why not contact Richconn today. Richconn offers custom online prototyping services at competitive prices. Our team has extensive knowledge of rapid prototyping types. Get instant quotes by uploading files.

9. FAQ

Q: What are the 3 types of springs?

A: The main types of springs are coil springs, disc springs, and leaf springs. Each main type has different sub-types of springs. For example, coil springs consist of torsion springs, extension springs, helical springs, and compression springs.

Q: What are the types of coil springs?

A: Coil springs consist of 4 different types of springs, each with their applications. The four are torsion springs, extension springs, helical springs, and compression springs.

Q: What is the most common type of spring?

A: The most common type of spring is the torsion spring. They have two ends connected to two different components to make them apart at an angle. One example application is door hinges. Here, when you open the door, the spring stores its rotational energy. When you let go of the door, the spring utilizes the stored energy to bring the door back to its original position.

Q: How do springs work?

A: Springs store and release energy through elastic deformation, and this ability makes them play important roles in various applications.

Q: Are springs only used in industry?

A: No, springs also have widespread uses in daily life such as household products, toys, etc.

Q: How to choose a suitable spring?

A: When selecting a spring, factors like load, space, and environment need to be considered to ensure normal functioning.

Q: Do springs need regular maintenance?

A: Yes, springs used for a long time can lose elasticity and need regular maintenance and replacement.

Q: What are some applications of springs in modern technology?

A: Springs play important roles in modern technology such as aerospace, medical devices, etc. where the support of springs is needed.